DE3515798A1 - Vorrichtung und verfahren zur einleitung akustischer wellen in eine erdformation - Google Patents

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Einleitung akustischer Wellen in eine Erdformation

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einleitung akustischer Wellen in eine Erdformation, die von einem Bohrloch durchdrungen ist. Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden im besonderen für Aufzeichnungen des Formationsaufbaues durch akustische Schub-wellen eingesetzt.

Zunächst soll auf die Patentliteratur der Firma Exxon Production Research Company, die sich auf dieses Gebiet bezieht, hingewiesen werden. Es handelt sich dabei um die amerikanischen Patentanmeldungen mit den folgenden Aktenzeichen: 525,910 vom 24. August 1983 (Winbow and Baker), 440,140 vom 8. November 1982 (Winbow et al), 395,449 vom 6. Juli 1982 (Winbow and Chen), sowie 379,684 vom 19. Mai 1982 (Winbow et al).

Bei der Erforschung unterirdischer Erdformationen, die von einem Bohrloch durchdrungen sind, ist es seit langem bekannt, daß Messungen oder "Aufzeichnungen" von akustischer Energie, die in die Formation eingeleitet wird, außerordentlich nützliche Informationen hinsichtlich verschiedener Parameter und Charakteristika der Formation erhalten werden kann. Dementsprechend ist es auch üblich, eine Meßsonde in das Bohrloch hineinzubringen, die akustische Wellengeneratoren und -empfänger irgendeiner Form enthält, um die akustische Energie von dem Generator in die Formation bei dem entsprechenden Bohrlochniveau von Interesse zu richten und hierauf mit dem Empfänger die sich ergebenden akustischen Wellen aufzuzeichnen, die aus der Formation zurückkehren.

Bei derartigen akustischen Bohrlochvermessungstechniken vereinigen sich eine Reihe von miteinander in Verbindung stehenden Einschränkungen und machen die Aufgabe hinsichtlich der Kon-

struktion eines akustischen Wellengenerators oder einer "Quelle" sehr kompliziert.

Zunächst muß die Quelle erstrebenswerterweise aus verschiedenen Gründen eine relativ geringe Größe besitzen. So können beispielsweise Meßwerkzeuge typischerweise nur einen äußeren Nermdurchmesser von 10,16 cm inetwa besitzen. Darüber hinaus ist es erstrebenswert, obwohl die vertikale Große einer Quelle von keinem großen Einfluß erscheint, eine übergroße Menge eines Meßwerkzeuges ebenfalls zu vermeiden. Dies beruht auf der Notwendigkeit, ein glattes Durchführen der Sonde durch das Bohrloch (das oft vom geraden Weg abweichen kann)sicherzustellen und auf der Tatsache, daß die wachsende Kompliziertheit der Instrumentierung im Bohrloch den gesamten Raum innerhalb des Meßwerkzeuges verknappt.

Eine weitere Einschränkung bei der Konstruktion einer akustischen Meßquelle liegt bei manchen Anwendungen darin, daß sie akustische Wellen einer relativ niedrigen Frequenz aussenden müssen, bei oftmals hoher Energie, wie beispielsweise im Fall direkter Schubwellenvermessung von weichen Formationen oder bei der Druckwellenvermessung quer zum Bohrloch.

Im besonderen bei der Schubwellenvermessung, nur als Beispiel, war die Messung der Schubwelle oftmals schwierig durchzuführen, aufgrund der relativ kleinen Amplitude, relativ zu anderen "Geräuschen" (die auch Druckwellen einschließen können und ähnliches, wie dies in diesem Bereich hinlänglich bekannt ist). Somit war es häufig erforderlich, stärkere Schubwellen innerhalb der Formation zu erzeugen. Dies wiederum bedeutete, daß extrem starke akustische Wellenquellen zum Aufbau der Schubwellen erforderlich waren, und zwar oftmals bei einer niedrigen Frequenz, wie z. B. für den Fall der Vermessung weicher Formationen.

Sowohl das Erfordernis der niedrigen Frequenz als auch der hohen Energie bei den akustischen Vermessungsquellen führte dazu, die relativ gößeren Längsdimensionen der Sonde auszunutzen bei deren Konstruktion. Im besonderen die Notwendigkeit, die Quelle in dem Bereich von 3 KHz oder geringer zu betreiben, mit einer hinlänglichen Ausgangsenergie und die sich hieraus ergebenden Längen der Resonanzelemente, die erforderlich waren, um die natürlichen Frequenzen in diesem Bereich zu erreichen, legten es nahe, die Längsdimensionen der Sonde auszunutzen.

Wie jedoch oben erwähnt wurde, lag eine Einschränkung bei der Quellenkonstruktion nicht nur in der Begrenzung der Quellenstärke (wegen des begrenzten Durchmessers der Sonde), sondern es war auch erstrebenswert, es zu vermeiden, einen erhöhten Raum innerhalb der Sonde in Längsrichtung auszunutzen.

Dementsprechend lag ein Bedürfnis vor, eine akustische Wellenquelle zu schaffen, die eine geringe Größe besitzt (aufgrund der praktischen physikalischen Einschränkungen der Meßsonde), sich jedoch durch eine relativ hohe Ausgangsleistung und eine niedrige Resonanfrequenz auszeichnet, während sie weiterhin in der Lage sein soll, starke akustische Schubwellen in der Formation zu erzeugen, die hinreichend sind für eine direkte Schubwellenvermessung in weichen Formationen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung gestatten die Erzeugung von akustischen Multipolwellen und deren Einleitung in eine unterirdische Erdformation, die von einem Bohrloch mit senkrechter Mittelachse durchdrungen sind, wobei sich das Ver-fahren und die Vorrichtung im besonderen für die Bohrlochschubwellenvermessung eignet.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt im wesentlichen eine Sonde, die entlang des Bohrloches führbar ist und eine akustische Wellenquelle zur Erzeugung akustischer Druckwellen und deren Übertragung in die Formation aufnimmt. Die Quelle umfaßt mindestens einen Stab mit einander gegenüberliegenden, akustisch abstrahlenden Endflächen, die im wesentlichen radial nach außen auf die Formation gerichtet sind.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird der Stab oder die Stäbe elektrisch erregt, wodurch Längenänderungen induziert werden, die dazu führen, daß die jeweiligen Endoberflächen in Richtung der Längsachse des jeveLligen Stabes vibrieren, wodurch wiederum akustische Wellen sich nach außen von den Endflächen in die Formation fortpflanzen.

Mehr ins einzelne gehend, umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen akustischen Wellenquelle erste und zweite Stäbe, die sich in Längsrichtung entlang jeweils einer ersten und zweiten Achse erstrecken, welche im wesentlichen senkrecht zueinander und zu der Mittelachse liegen. Die Stäbe sind an ihren Mittelpunkten,durch welche die Mittelachse hindurchläuft, miteinander verbunden, wodurch eine kreuzförmige Ausbildung definiert ist, die in einer Ebene liegt, im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse. Jeder Stab besitzt ein Paar einander gegenüberliegender äußerer Endflächen, die auf die Formation gerichtet sind und die von der jeweils entsprechenden ersten oder zweiten Achse durchschnitten werden.

An der äußeren Endfläche eines jeden Stabes ist ein akustischer Strahler angeordnet, wobei das Paar von akustischen Strahlern, die an den Enden des ersten Stabes angeordnet sind, als erste Strahler bezeichnet werden, während diejenigen, die an den zweiten Stabenden angeordnet sind, zweite Strahler genannt werden. Jeder Strahler besitzt eine äußere Fläche, die durch jeweils die erste bzw. zweite Achse durchschnitten wird und die nach außen

auf die Formation gerichtet ist. Die ersten und zweiten Stäbe bestehen aus einem ersten bzw. einem zweiten magnetostriktiven Material, wobei das erste Material eine Dehnungskonstante besitzt mit umgekehrtem Vorzeichen gegenüber dem zweiten Material.

Elektrische Spulen sind um die Stäbe gelegt, die bei einer entsprechenden Erregung ein periodisch wechselndes Magnetfeld in jedem Stab erzeugen, wodurch der Stab in periodischer Weise seine Länge ändert, in Richtung der jeweils ersten bzw. zweiten Achse. Dies wiederum führt dazu, daß die ersten und zweiten Strahler jeweils akustische Druckwellen erzeugen, die sich nach außen von den vier Strahleroberflächen fortpflanzen, in Richtung der jeweils ersten bzw. zweiten Achse in die Formation hinein.

Aufgrund des Unterschiedes der Vorzeichen zwischen den magnetostriktiven Dehnungskonstanten des ersten und des zweiten Stabes bildet die Bewegung der Endflächen der Stäbe eine Quadrupolbewegung, d.h., während eines ersten Zeitintervalls bewegen sich die Endflächen des ersten Stabes aufeinanderzu, während sich diejenigen des zweiten Stabes voneinander weg bewegen, und während eines zweiten Zeitintervalls bewegen sich die Endflächen des ersten Stabes voneinander weg, während die zweiten Stabendflächen sich aufeinanderzubewegen. Dementsprechend sind die akustischen Wellen, die von den ersten Strahlern in die Formation geschickt werden, außer Phase, in bezug auf diejenigen, die durch die zweiten Strahler in die Formation eingeführt werden, so daß die akustischen Wellen miteinander in der Formation interferieren, zur Erzeugung der angestrebten Quadrupolakustikwelle.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung, unter Bezugnahme auf die biegefügten Zeichnungen. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 eine bildliche Darstellung, teilweise schematisch, eines akustischen Meßsystems gemäß der Erfindung,

Fig. 2A eine bildliche Darstellung, teilweise im Schnitt, einer Quadrupolschubwellenmeßquelle gemäß der

Erfindung, die sich für den Einsatz in dem in Fig. 1 dargestellten System eignet,

Fig. 2B eine bildliche Darstellung eines Teils der in Fig. 2A wiedergegebenen Meßquelle,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch die Meßquelle gemäß Fig. 2A, durch die Ebene der Längsmittelachse, die mit derjenigen der in Fig. 1 gezeigten Meßsonde zusammenfällt, mit der Meßquelle gemäß Fig. 2A,

Fig. 4 einen Horizontalquerschnitt der Meßquelle gemäß Fig. 2A, entlang der Schnittlinie 4-4,

Fig. 5 eine bildliche Darstellung der Stabelemente und der

zugeordneten Spulen der Meßquelle gemäß Fig. 2A, unter schematischer Darstellung der elektrischen Verdrahtung,

Fig. 6 eine bildliche Darstellung einer anderen Ausführungsform der Stabelemente und der Meßquelle gemäß Fig. 2A, unter schematischer Wiedergabe der elektrischen Verdrahtung,

Fig. 7 die Draufsicht auf einen Querschnitt einer 16-Pol-

Schubwellenmeßquelle, unter Darstellung einer anderen Ausführungsform der Meßquelle gemäß Fig. 4,

Fig. 8 eine bildliche Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9A die Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung und

Fig. 9B die Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß

der Erfindung, die in Fig. 9A dargestellt ist. 5

Die Fig. 1 zeigt eine bildliche Darstellung eines akustischen Meßsytems gemäß der Erfindung, das im besonderen geeignet ist für den Einsatz bei einer akustischen Schubwellenvermessung einer unterirdischen Erdformation, die von einem Bohrloch durchdrungen ist. Die zu untersuchende unterirdische Formation 10 wird von dem Bohrloch 12 durchdrungen, in welchem typischerweise ein Fluid 14 enthalten ist. Die Meßsonde 16 kann in vertikaler Richtung entlang des Bohrloches 12 in die gewünschte Bohrlochhöhe bewegt werden, bei welcher die Formation zu untersuchen ist.

Die Sonde 16 besitzt einen herkömmlichen Aufbau und kann einen Wellenerzeuger abschnitt 18 für akustische Wellen und einen oder mehr akustische Wellendetektorabschnitte, wie etwa die Abschnitte 20, 22 und 24 umfassen. Jeder Detektorabschnitt ist mit einem entsprechenden Detektor D.., D2 und D versehen, die insgesamt als Detektoranordnung 25 bezeichnet werden. Obwohl drei Detektoren in Fig. 1 dargestellt sind, leuchtet ein, daß die Detektoranordnung 25 eine beliebige Anzahl von Detektoren umfassen kann.

In einer ähnlichen Weise nimmt der Quellenabschnitt 18 eine akustische Quelle 26 gemäß der Erfindung auf. Es ist festzustellen, daß die Detektorabschnitte 20, 22 und 24 typischerweise physikalisch isoliert sind von dem Quellenabschnitt 18 durch einen Abstandsabschnitt 29, in einer auf diesem Gebiet hinlänglieh bekannten Weise, und daß die Abschnitte 18 - 24 koaxial entlang der Mittelängsachse 28 ausgerichtet sind, um damit eine zylindrische Sonde 16 zu bilden. Wenn die Sonde 16 sich innerhalb des Bohrloches 12 befindet, fällt die Längsmittelachse

28 vorzugsweise etwa mit der Achse des Bohrloches 12 zusammen.

Eine nähere Betrachtung der Fig. 1 ergibt,- daß die Abschnitte 18-24 jeweils mit einer Gruppe von vier akustischen Fenstern 27A-D, 36A-D, 38A-D und 40A-D versehen sind. Obwohl jede Gruppe von Fenstern 27A-D, 36A-D, 38A-D und 40A-D in Fig. 1 mit vier Fenstern dargestellt ist, leuchtet ein, daß jede Gruppe von Fenstern mehr oder we^niger als vier Fenster aufweisen kann. Beim Betrieb der Quelle 26 erzeugt diese zwei oder mehr akustische Druckwellenimpulse (nur einer ist als Druckwelle 30 dargestellt) in einer nachfolgend noch in größerem Detail zu beschreibenden Weise. Jede Welle 30 tritt durch das entsprechende Fenster, wie etwa das Fenster 27A, in einem Winkel c& , relativ zur Mittelachse 28 aus. Die akustische Energie der Welle 30 (und der anderen Druckwellen, die von der Quelle 26 erzeugt werden) durchquert das Bohrlochfluid 14, tritt in die Formation 10 ein und läuft in Längsrichtung nach unten, worauf sie wieder in das Fluid 14 eintritt, durch die Gruppen von Fenstern 36A-D, 38A-D und 40A-D hindurchläuft (und die jeweils anderen Fenster, die den anderen Detektoren der Detektoranordnung 25 zugeordnet sind) und wird von der Detektoranordnung 25 in einer ebenfalls noch in größerem Detail später zu beschreibenden Weise aufgenommen.

Eine Aktivier- und Aufzeichnungssteuereinheit 44 wird eingesetzt zur Steuerung der Erregung der Quelle 26 zu entsprechenden angestrebten Zeiten, funktionell dargestellt durch die Anwesenheit des Schalters 42. Akustische Wellenformen, die von den Detektoren D^-D der Anordnung 25, entsprechend der von der Formation 10 auftretenden akustischen Energie, gebildet werden, werden über die jeweiligen Signalleitungen 46, 48 und 50 (und andere Signalleitungen, die nicht dargestellt sind, von den anderen Detektoren der Detektoranordnung 25) der Oberflächenschaltanordnung 52, 54, 56 und 58 zur Verarbeitung, Aufzeichnung, Anzeige und ähnlich zugeleitet, wie dies erwünscht wird.

Mehr im einzelnen und wie funktionell durch den Schalter 52 dargestellt ist, wird jedes Signal über die Leitungen 46-50 ausgewählt und über einen entsprechenden Bandpaßfilter 54 gefiltert, über den Verstärker 56 verstärkt und dann einer Zeitintervalleinheit 58 in einer solchen Weise und für solche Zwecke zugeführt, wie dies auf diesem Sachgebiet hinlänglich bekannt ist. Die Laufzeiten der akustischen Energie von der Quelle 26 durch die Formation 10 bis zu den Detektoren D₁-D der An-

1 η

Ordnung 25 können dann bestimmt werden, woraus die Geschwindigkeit der Akustikwellen in der Formation 10 abgeleitet werden kann.

Die Fig. 2A zeigt eine bildliche Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Quadrupolschubwellen-Meßquelle gemäß der Erfindung, die als Quelle 26 geeignet ist für das in Fig. 1 dargestellte System und von dem Abschnitt 18 aufgenommen wird. Die in Fig. 2A dargestellt Quelle umfaßt ein hohles zylindrisches Gehäuse 60, durch welches ein unterer Stützdorn 62 hindurchgreift, der eine scheibenförmige untere Abschlußplatte 64 trägt.

In dem mittleren Teil des Gehäuses 60 sind die vorerwähnten Fenster 27A-D vorhanden (von denen nur aus Gründen der Übersichtlichkeit zwei Fenster 27A und 27B dargestellt sind). Jedes der Fenster 27A-D umfaßt eine Öffnung, über welche sich eine dünne Membran, wie etwa eine Gummischicht 61A (oder 61B, in bezug auf das Fenster 27B) erstreckt, die im wesentlichen akustisch transparent ist, wodurch akustische Impulse, die im Inneren des Gehäuses 60 erzeugt werden, durch die Membran auf das Bohrlochfluid 14 übertragen werden können und anschließend auf die umgebende Formation 10. Die Membran ist natürlich abdichtend mit der Wandung des Gehäuses 60 verbunden durch herkömmliche Hilfsmittel, wie Metallklammern, um zu verhindern, daß das Bohrlochfluid 14 in das Innere des Gehäuses 60 eintritt.

Die untere Abschlußplatte 64 besitzt an ihrer äußeren zylindrischen Oberfläche eine Q-Ring-Aufnahmenut 83, in welcher sich ein O-Ring 84 befindet, der eine Abdichtung darstellt zwischen der Abschlußplatte 64 und der Innenfläche des Gehäuses 60.

Eine obere Abschlußplatte 76 ist innerhalb des Gehäuses 60 vorgesehen, an welcher ein oberer Stützdorn 78 befestigt ist, wobei die Platte eine O-Ring-Aufnahmenut 116 mit einem eingelegten oberen O-Ring 118 trägt, zur Herstellung einer Abdichtung zwischen dem äußeren zylindrischen Umfang der oberen Abschlußplatte 76 und der Innenfläche des Gehäuses 60. Eine Mehrzahl von Montageschrauben 70, 71, 72 und 73 erstrecken sich in Längsrichtung von der oberen Abschlußplatte 76 bis zur unteren Abschlußplatte 64, wobei jede der Schrauben 70-73 ein entsprechendes Gewindeende 70A, B, C und D aufweist, das von einer entsprechenden Gewindebohrung 64A, B, C und D in der unteren Abschlußplatte 64 aufgenommen wird.

Hieraus wird deutlich, daß ein inneres Volumen 124 zur Verfügung gestellt wird, das gegenüber der Außenseite des Gehäuses 60 und von Bereichen oberhalb und unterhalb der Abschlußplatten 64 bzw. 76 abgedichtet ist. Dieses Volumen enthält vorzugsweise ein Material wie Hartgummi, um eine Dämpfung zu bewirken, wie auch eine Stabanordnung in genauer Ausrichtung zu halten, die als nächstes beschrieben wird.

In Fig. 2A ist eine Stabanordnung zu sehen, die sich innerhalb des soeben beschriebenen Volumens 124 befindet und aus einem ersten sowie einem zweiten Stab 66 bzw. 68 besteht, um welche eine erste und eine zweite elektrisch= Spule 86 bzw. 88 gelegt ist. Akustische Strahler 102 und 106 sind an den einander gegenüberliegenden Enden des Stabes 66 befestigt. An den einander gegenüberliegenden Enden des Stabes 68 sind die akustischen Strahler 104 und 108 angebracht. Schließlich ist radial außerhalb der Strahler 102-108 und innerhalb der Schichten 61A-D

ein Gummiring 138 vorgesehen (der deutlicher in Fig. 4 ersichtlich ist.).

In der Fig. 2A und der Fig. 2B (die einen Teil der Quelle gemäß Fig. 2A darstellt) ist eine X-Achse und eine Y-Achse 126 bzw. 128 gezeigt, die senkrecht aufeinander stehen und die Mittelachse 28 schneiden, zur Erleichterung der nachfolgenden eingehenden Erläuterung.

Der Stab 66 ist in seinem Mittelpunkt an den Mittelpunkt des Stabes 68 durch Schweißen oder ähnliches angeheftet, um damit eine Kreuzform zu bilden,und der Schnittpunkt oder die Verbindungsstelle ist vorzugsweise so orientiert, daß die Mittelachse 28 geschnitten wird, womit sich die Stäbe zentral innerhalb des Gehäuses 60 befinden.

Aus den Fig. 2A und 2B wird weiterhin deutlich, daß sich der Stab 66 in Längsrichtung der X-Achse 126 erstreckt, die wiederum durch die einander diametral gegenüberliegende Fenster 27A und 27C (nicht in den Fig. 2A und 2B dargestellt) verläuft. In einer ähnlichen Weise liegt der Stab 68 in Längsrichtung entlang der Y-Achse 128, die durch die diametral einander gegenüberliegenden Fenster 27B und 27D (in den Fig. 2A und 2B nicht dargestellt) verläuft. Darüber hinaus stehen die Achsen 126, 128 und 28 jeweils senkrecht aufeinander, d.h., die Achsen 126 und 128 stehen senkrecht aufeinander, wie auch auf der Achse 28.

Jeder der Stäbe 66 und 68 besitzt zwei radial äußere Enden. Der erste Stab 66 trägt ein Paar erster akustischer Strahler und 106, die durch Heftschweißen oder ähnliches an jeweils einem der beiden Enden des Stabes 66 befestigt sind. In einer ähnlichen Weise trägt der zweite Stab 68 ein Paar zweite akustische Strahler 104 und 108, die jeweils an einem Ende des Stabes 68 befestigt sind.

In der Fig. 2B sind nur die Stäbe 66 und 68 gemäß der Erfindung dargestellt, zur klareren Erläuterung des Betriebes der akustischen Quelle gemäß Fig. 2A. Wenn man den ersten Stab 66 veranläßt, sich in Richtung zu einer Längsachse 126 während eines ersten Zeitintervalls zu strecken, leuchtet ein, daß ein verstärkter (positiver) akustischer Druck sich an den Enden ergibt, so daß eine positive Druckwelle jeweils in Richtung der Pfeile 98 übertragen wird.

Wenn gleichzeitig während des gleichen ersten Zeitintervalls der zweite Stab 68 veranlaßt wird, sich in Richtung seiner Längsachse 128 zu verkürzen, so ergibt sich ein abnehmender (negativer) Druck an den Enden des Stabes, so daß eine negative Druckwelle in entgegengesetzte Richtung, jeweils entsprechend den Pfeilen 100, übertragen wird.

Wenn umgekehrt während eines nachfolgenden zweiten Zeitintervalls sich die Stäbe 66 und 68 verkürzen bzw. strecken, wird

die Amplitude einer jeden Druckwelle, die in der Richtung der Pfeile 98 und der entgegengesetzten Richtung der Pfeile 100 übertragen wird, umgekehrt. Wenn darüber hinaus die vorangehend beschriebenen beiden Situationen rasch wiederholt werden, leuchtet ein, daß erste periodische, akustische Druckwellen geformt werden können, die von den Enden des Stabes 66 in Richtung der Pfeile 98 entlang der Achse 126 nach außen fortschreiten, wie auch zweite periodische, akustische Druckwellen, die entlang der Achse 128 nach außen fortschreiten. Es zeigt sich darüber hinaus, daß diese ersten und zweiten periodischen Druckwellen in jedem gewünschten Grad außer Phase sind, und zwar bevorzugt 180° außer Phase.

Aus dem Vorangehenden läßt sich würdigen, daß die jeweiligen ersten und zweiten Strahlerpaare 102, 104 und 106, 108 zur klareren Darstellung aus der Fig.2B herausgenommen wurden. ,. Da sie jedoch an den jeweiligen Enden der Stäbe 66 und 68 be-

festigt sind, leuchtet weiterhin ein, daß die oben erwähnten ersten und zweiten Druckwellen sich tatsächlich radial nach außen von den äußeren Flächen der Strahler 102-108 fortpflanzen, und zwar durch das Gummi in den Raum 124, durch den Ring 138 und die jeweiligen Membranen 61A-D und Fenster 27A-D in die Formation 10 hinein.

Weiterhin ist in Fig. 2B eine Anzahl von Winkeln &C dargestellt, die die Winkel definieren, die zwischen den Achsen oder 128 und der Mittelachse 28 eingeschlossen werden. In einer ähnlichen Weise wie in Fig. 4 dargestellt, sind eine Anzahl von Winkeln fc gseigt, die die Winkel zwischen den Achsen 126 und 128 einschließen. Obwohl bei der soeben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung diese Winkel oC und /d alle gleich 90° sind, wird durch die Erfindung spezielle in Betracht gezogen, daß dies nicht der Fall sein muß.

Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß die Bildung von angestrebten Schub- oder "S"-Wellen in der Formation 10 unterstützt werden kann, wenn man die Hauptstrahlungsrichtungen der oben erwähnten ersten und zweiten akustischen Druckwelle, die in die Formation 10 fortschreiten soll, nicht in einem rechten Winkel zur Bohrlochwandung absendet (wie in Fig. 2 dargestellt, entlang der Achsen 126 und 18), sondern in einem schrägen Winkel, wobei sie nach außen gerichtet sind, in einem spitzen Winkel, in bezug auf die Mittelachse 28. Auf diese Weise kann die Umsetzung der Druckwellen, die in dem Bohrlochfluid 14 erzeugt wurden, in akustische Schubwellen in der Formation 10 verstärkt werden, vorzugsweise relativ zur Bildung von akustischen Druckwellen.

Somit kann der Winkel oC wünschenswerterweise eingestellt werden, wobei der optimale Winkel oC unter gegebenen Umständen eine Funktion der Formationscharakteristika ist, wie auch des gewünschten Verhältnisses der akustischen Schubwellenenergie zu der akustischen Druckwellenenergie, die sich in der Formation 10 fortpflanzt.

Dementsprechend kann der Mittelpunkt, der dem Schnittpunkt der Achsen 126, 128 und 28 entspricht,und der Stäbe 66 und 68, entlang der Achse 28 nach oben geführt werden, und die Stäbe 66 und 68 werden in der entsprechenden Weise gebogen, so daß die äußeren Enden der Stäbe 66 und 68 (und die Strahler 102-108, die hieran befestigt sind) eine mehr nach unten gerichtete Stellung einnehmen. Bei einer solchen Ausführungsform fällt auf, daß jeder Stab 66 und 68 aus zwei Abschnitten gebildet wird auf jeder Seite des Mittelpunktes, wobei jeder seine eigene Längsachse besitzt, die im Winkel ** nach unten gerichtet ist, in bezug auf die Mittelachse 28, so daß eine vierseitige Pyramide definiert wird. Die voranstehenden Ausführungen werden nachfolgend noch in größerem Detail erläutert, unter Bezugnahme auf eine beispielhafte andere Ausführungsform.

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei den Fig. 3 und 4 um einfache An- und Draufsichten der Quelle gemäß Fig. 2A. Es fällt hierin auf, daß die Spulenleitungen 46,die von den Spulen 86 und 88 ausgehen, sich durch die Sonde 16 bis zu einer elektrischen Anschlußquelle an der Erdoberfläche erstrecken können, wie dies in Fig. 1 durch die Leitung 40 angedeutet ist.

Die Fig. 5 ist eine bildliche Darstellung der Stäbe 66 und 68 und der entsprechenden Spulen 86 und 88 der Meßquelle gemäß Fig. 2A, mit der Absicht, die funktioneilen elektrischen Anschlüsse und deren Ausbildung in größerem Detail zu zeigen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 können die erste und die zweite Spule 86 bzw. 88 in Reihe angeschlossen sein. Sie können jedoch auch alternativ in paralleler Schaltweise angeschlossen sein.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Stäbe 66 und 68 jeweils aus einem ferromagnetischen Material und besitzen eine Eigenschaft, die als magnetostriktives Phänomen bekannt ist, bei welchem dann, wenn ein magnetisches

Feld an das Material gelegt wird, eine entsprechende Längenänderung des Materials in Richtung des angelegten Feldes erzeugt wird. Dementsprechend ist dies eine Maßnahme, wodurch die oben beschriebenen Änderungen der Länge der Stäbe 66 und 68 erreicht werden kann.

Die Größe der Änderung und ob sich das Material ausdehnt oder zusammenzieht, bei der Magnetisierung, ist eine Funktion des speziellen magnetostriktiven Materials. So zeigen verscHedene Materialien unterschiedliche Materialdehnungskonstanten (Längenänderung pro Einheit aufgrund der Magnetostriktion), die entweder positiv oder negativ sein können (wodurch angezeigt wird, ob sich das Material bei der Magnetisierung verlängert oder verkürzt). Darüber hinaus können diese Konstanten entweder groß oderklein sein (wodurch größere oder kleinere prozentuale Längenänderungen für eine vorgegebene Magnetfeldstärke angezeigt werden).

Unter Bezugnahme auf die in Fig.2A dargestellte Ausführungsform leuchtet ein, daß das soeben beschriebene magnetostriktiv^ Phänomen eingesetzt werden kann, um einen magnetostriktiven Vibrator aufzubauen, der in der Lage ist, die gewünschten akustischen Druckwellen zu erzeugen. Im besonderen wird bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2A der Stab 66 bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material hergestellt, das als 2V Permendur bekannt ist, mit einer positiven Dehnungskonstanten, während der Stab 68 aus einem ferromagnetischen Material wie Nickel hergestellt sein kann, mit einer negativen Dehnungskonstante, deren Absolutwert geringer ist als derjenige von 2V Permendur.

Aus der voranstehenden Diskussion unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 5 fällt auf, daß bei Anlage eines Magnetfeldes an die Stäbe 66 und 68 durch die Schließung des Schalters 42 und die hierdurch erfolgte Erregung der entsprechenden Spulen 86 und 88 über die elektrische Energiequelle 132 die äußeren Enden des Stabes 66

nach außen geführt werden, während sich der Stab 66 in Richtung der Achse 126 und des Pfeiles 98 verlängert, aufgrund der positiven ersten Dehnungskonstante des Stabes 66. In einer ähnlichen Weise bewegen sich die Enden des Stabes 68 radial nach innen, in Richtung der Pfeile 100, entlang der Achse 128, aufgrund der Tatsache, daß der Stab 68 eine zweite Dehnungskonstante aufweist, die negativ ist.

Beim Öffnen des Schalters 42 und die hierdurch erfolgte Entregung der Spulen 86 und 88 kehren die Stäbe 66 und 68 zu ihrer Normallänge zurück. Dementsprechend werden durch die Veränderung der Stärke des angelegten magnetischen Feldes, wie beispielsweise durch rasches Öffnen und Schließen des Schalters 42, die Endflächen der Stäbe 66 und 68 vibrieren (oder oszillieren), und zwar außer Phase in der gewünschten Weise, wodurch die vorerwähnten ersten und zweiten akustischen Wellen erzeugt werden, die im wesentlichen horizontal nach außen in Richtung auf die Formation 10 wandern, entsprechend der jeweiligen Achsen 126 und 128 der Stäbe 66 und 68.

Aufgrund der Tatsache, daß der Absolutwert der Dehnungskonstante für 2V Permendur größer ist als diejenige von Nickel, bei einer vorgegebenen magnetischen Feldstärke, würde die Vibrationsamplitude des Stabes 66 größer sein als diejenige des Stabes

68. Dementsprechend kann bei der soeben beschriebenen Ausführungsform gemäß der Erfindung gemäß Fig. 2A die Anzahl von Wicklungen der Spule 88 größer sein als diejenigen auf der Spule 86, um Vibrationen von inetwa gleiche Amplitude zu erzeugen, was erstrebenswert ist, um sicherzustellen, daß die Quelle vier Druckwellen erzeugt, die in der Formation 10 miteinander interferieren, um akustische Quadrupolwellen in der Formation 10 zu erzeugen.

Im allgemeinen besitzen einige der Stäbe, die für den Aufbau einer Quelle gemäß der Erfindung eingesetzt werden, eine erste Dehnungskonstante,und andere werden eine zweite Dehnungskonstante aufweisen, deren Absolutwert sich von demjenigen der ersten Dehnungskonstante

unterscheidet. Beispielsweise ist der Absolutwert der Dehnungskonstante von Nickel etwa halb so groß wie derjenige für 2V Permendur. Ein anderer Weg, um die effektiven Dehnungskonstanten der eingesetzten Stabmaterialien auszugleichen, liegt darin, die Stäbe mit einer absolut größeren Dehnungskonstante mit einem elektrisch leitenden Metallelement (wobei es sich um einen Draht handeln kann) zu umgeben, so daß das Metallelement umgeben ist zwischen einem solchen Stab und der ihn umgebenden erregenden Spule, die das Magnetfeld am Stab erzeugt. Diese Umhüllung schirmt den Stab hinsichtlich des magnetischen Feldes ab, wodurch die effektive Dehnungskonstante des umhüllten Stabes vermindert wird. Zur Erläuterung dieser Technik wird bei einer Quelle mit einigen Nickelstäben und einigen 2V Permendur-Stäben ein dünner Aluminiumdraht um jeden 2V Permendur-Stab gelegt, wodurch der gewünschte Effekt erreicht wird, daß die Dehnungskonstanten der Stäbe einander angepaßt werden.

Es sollen nachfolgend verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden.

Die Fig. 6 und 7 entsprechen den Fig. 5 bzw. 4 insoweit als sie ähnliche Darstellungen von anderen Ausführungsformen der Erfindung betreffen. Dies gilt im besonderen unter Bezugnahme auf die entsprechenden Fig. 7 und 4, wobei die vorangehende Beschreibung der Erfindung auf einen Generator oder eine Quelle für akustische Quadrupolwellen gerichtet war, besteht nicht die Absicht, die Erfindung in dieser Weise zu beschränken und zieht auch andere Ausführungsformen in Betracht.

Im besonderen,entsprechend den eingangs erwähnten Druckschriften, bringt die Erfindung das Bestreben zum Ausdruck, bei manchen Anwendungen den Aufbau und den Einsatz von akustischen Multipolwellenquellen unterschiedlicher Konstruktion zu realisieren, unter Einsatz eines oder mehrerer Stäbe, die entlang ihrer

Längsachsen vibrieren, wobei die Stäbe jeweils so angeordnet sind, daß sie im wesentlichen quer zur Mittelachse 28 liegen.

So kann beispielsweise eine Dipolquelle mit einem Stab konstruiert werden (die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 9A und 9B beschrieben wird). Mit zwei Stäben kann eine (zuvor beschriebene) Quadrupolquelle konstruiert werden, mit drei Stäben, eine Oktopolquelle, mit vier Stäben, eine 16-Pol-Quelle (die nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben wird) usw. 10

Im allgemeinen Fall kann eine Multipolquelle von Nter Ordnung, wobei N gleich 1,2,3 usw. bis unendlich bzeichnet werden, als eine 2 -Polquelle, wobei N gleich 1,2,3 und vier für eine Dipol- , Quadrupol-, Oktopol- bzw. 16-Pol-Quelle z.B. Es ist auch festzustellen, daß die Anzahl der Endstrahlerflächen, die eingesetzt

N
wird, um eine 2 -Polquelle zu konstruieren, 2N beträgt, d.h., es werden 2, 4, 6 und 8 Strahler an eine entsprechende Anzahl von Stabenden für eine Dipol-, Quadrupol-, Oktopol- bzw. 16-Polquelle befestigt. Außerdem beträgt der Winkel f£ zwischen der Projektion nebeneinanderliegender Stabenden auf einer Ebene senkrecht zur Achse 28 vorzugsweise 360°/(2N). Solche nebeneinanderliegende Stabenden erzeugen Druckwellen, die im wesentlichen 180° außer Phase in bezug aufeinander sind.

Eine allgemeine Erläuterung der Multipolquellen progressiv höherer Ordnung, wie sie gemäß der Erfindung infragekommen, ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle:

N= Ordnung der Quelle Anzahl der P = OQ Strahler (und

Strahlungskeulen)

1	2	(Dipol)	2
2	4	(Quadrupol)	4
3	8	(Oktopol)	6
4	16	(16-Pol)	8
5	32	(32-Pol)	10

N 2^N (2^N-Pol) 2 χ Ν

=360	Anzahl
2N	der Stäbe N
180	1
90	2
60	3
45	4
36	5
*	•
360	N

2N

Es fällt auf, daß, im Hinblick auf einige der akustischen Multipolquellen, wie sie hier beschrieben werden, eine Modifizierung der Stabkonstruktion erforderlich sein kann. So sind beispielsweise für die Oktopolquelle drei Stäbe erforderlich. Wenn jedoch ein vorgegebener Stab insgesamt aus einem magnetostriktiven Material besteht, liegt eine Einschränkung darin, daß nebeneinanderliegende Stabenden nicht 180° außer Phase sein können, da zwei der Stabenden aus dem gleichen Material sein würden, mit nebeneinanderliegenden Enden in Phase.

Somit zieht man in Betracht, statt die Quelle so aufzubauen, daß der gesamte Stab aus einem Materialstück besteht, um bei Multipolquellen der obigen Situation Rechnung zu tragen (wie auch beim Aufbau anderer hier beschriebenen Quellen), Halbstäbe oder Abschnitte zu verwenden. Bei diesem Aufbau können die Halbstäbe oder Abschnitte an einem Dorn (wie etwa dem Dorn 202 der Fig. 8) festgeschweißt werden, um speichenartige Vorsprünge zu bilden, die sich radial nach außen erstrecken. Diese Speichen wechseln in ihrer Zusammensetzung zwischen dem ersten und dem zweiten magnetostriktiven Material (mit jeweils einer positiven und einer negativen Dehnungskonstante), fortschreitend beim Umlauf um die Mittelachse 28.

Alternativ kann jeder Abschnitt oder Halbstab aus alternierenden, piezoelektrisch nebeneinander liegenden Scheibenanordnungen bestehen, die sich hinsichtlich ihrer Polarität abwechseln, um so die gewünschte 180 Phasenbeziehung zu erreichen zwischen einem vorgegebenen Halbstab und den benachbarten auf jeder Seite.

In einer noch in größerem Detail, in bezug auf die 16-Polquelle als spezielles Beispiel zu beschreibenden Weise werden, wenn mehr als ein Stab zur Bildung einer Multipolquelle gemäß der Erfindung herangezogen wird, die Stäbe vorzugsweise so angeordnet, daß sie alle an den Mittelpunkten ihrer Längsachsen mit-

einander verbunden werden, wobei die Mittelpunkte in der Mittelachse 28 liegen, so daß die Stabanordnung wie die Speichen eines Rades aussieht, die sich radial von der Mittelachse 28 nach außen erstrecken.
5

Vorzugsweise bildet jede "Speiche" die vorgenannten gleichen Winkel ß> und Φ , in bezug auf benachbarte Speichen bzw. die Mittelachse 28, wobei £=360°/(2 χ N) und wobei <*> gleich oder kleiner sein kann als 90°, wie bereits oben herausgestellt. Man wird sich erinnern, daß qq als Funktion der Formationscharakteristika und ähnlichem ausgewählt werden kann und kleiner als 90 ist, um die Bildung einer akustischen Multipolschubwelle in der das Bohrloch umgebenden Formation zu unterstützen.

.«t- Nach wie vor unter Bezugnahme auf den allgemeinen Fall, bevor andere spezielle Ausführungsformen als die Quadrupolquelle gemäß Fig. 2A beschrieben werden sollen (wie die Dipol- und die 16-Polquelle, die nachfolgend zu beschreiben ist), werden, in dem Fall, wenn mehr als ein Stab eingesetzt wird, die Stababschnitte

2Q (oder Speichen) vorzugsweise eine wechselnde Zusammensetzung haben, von dem vorerwähnten ersten magnetostriktiven Material mit einer positiven Dehnungskonstante zum zweiten Material, mit einer negativen Dehnungskonstanten, hinsichtlich des ersten Materials usw. während man kreisförmig um die Mittelachse 28 herumschreitet.

Schließlich, in bezug auf den allgemeinen Fall, trägt das radial

äußerste Ende eines jeden Abschnittes oder einer jeden Speiche einen akustischen Strahler in einer ähnlichen Weise, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 2A beschrieben wurde. Um jede Speiche on ist außerdem eine elektrische Spule gelegt, ebenfalls in einer ähnlichen Weise wie bei der Quelle gemäß Fig. 2A. Wenn somit die Spulen einer speziellen Stabquelle erregt werden, so vibrieren sie in einer ähnlichen Weise, wie diejenigen gemäß Fig. 2A. Jede Speiche erzeugt somit eine entsprechende akustische Druck-

welle, die radial nach außen entlang ihrer Längsachse sich fortpflanzt, wobei jede solche Welle außer Phase ist, in bezug auf die Druckwelle, die durch die unmittelbar benachbarte Speiche auf jeder Seite erzeugt wird, wobei sich die Wellen von den akustischen Strahlern aus fortpflanzen, die an den Enden der Speichen angeordnet sind. Darüber hinaus würde die Aufzeichnung eines Strahlungsmusters einer Quelle, die,entsprechend den obigen Ausführungen, aufgebaut ist, 2N Strahlungskeulen zeigen, die jeweils von einem anderen akustischen Strahler nach außen fortschreiten.

Dem—entsprechend leuchtet, unter Bezugnahme nun auf die Fig. 7, zur Erläuterung eines Beispiels einer 16-Polquelle, verglichen mit der Quadrupolquelle nach Fig. 4, ein, daß statt nur zwei Stäben 66 und 68 vier Stäbe 150, 152, 154 und 156 vorgesehen sind ( mit entsprechenden Spulen, wie den Spulen 158, die in der Spulenzuleitung 160, ähnlich der Leitung 46 ausläuft), wie auch acht entsprechende Fenster radial außen von den Stäben (nicht dargestellt) und acht Strahler, wie der Strahler 157, die jeweils an den anderen äußeren Enden der Stäbe 150-156 angeordnet sind.

In einer ähnlichen Weise wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1-5 sind die vier Stäbe 150-156 so orientiert, daß ihr radial äußeres Ende einai gleichmäßigen Abstand auf einem Umfangskreis besitzt, dessen Mitte in der Mittelachse 28 liegt, während sie in einer Ebene liegen, die im wesentlichen senkrecht zur Achse 28 verläuft. In einer ähnlichen Weise wechseln die Stäbe ab zwischen einem ersten und einem zweiten ferromagnetischen Material beim Umlauf um den Kreis, mit entsprechenden Dehnungskonstanten, die sich hinsichtlich ihres Vorzeichens abwechseln.

Schließlich können die Stäbe in einer ähnlichen Weise erregt werden, wie das funktionell in Fig. 5 dargestellt ist. Somit leuchtet ein, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 statt der Erzeugung von vier Druckwellen,die von der Sonde 16 nach außen laufen,

nunmehr acht soldner Wellen erzeugt werden.

In Fig. 6 ist noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Im einzelnen zeigt die Fig. 6 ein alternatives Verfahren hinsichtlich des Aufbaues der vibrierenden Stäbe 66-68 oder 150-156, die in den Ausführungsformen der akustischen Wellenquellen eingesetzt werden, wie sie in Fig. 2A bzw. 7 dargestellt sind.

Jeder magnetostriktive Stab und die Spule, wie der Stab 66 und die Spule 86, gemäß Fig. 2A, können ersetzt werden durch einen piezoelektrischen Stab, wie die vier Stäbe, die in Fig. 6 in einer Explosionsdarstellung gezeigt sind.

Jeder Stab gemäß Fig. 6 umfaßt, wie gezeigt, eingfaehrzahl polarisierter Scheiben, wie die Scheiben 140, 142, 144 und 146, die aus einem geeigneten piezoelektrischen Kristallmaterial hergestellt sind, wie sie handelsüblich verfügbar sind von der Firma Vernitron Company of Bedford, Ohio, V.St.A. Diese Scheiben werden nacheinander und koaxial ausgerichtet entlang der jeweiligen Achsen 126 oder 128. Diese Achsen entsprechend den Längsachsen der zuvor beschrM>enen Stäbe 66 und 68 und verlaufen senkrecht in bezug aufeinander und in bezug auf die Mittelachse 28.

Die piezoelektrischen Kristalle besitzen die Eigenschaften, daß sie sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen, entsprechend einem angelegten elektrischen Potential, wobei das Expandieren oder Kontrahieren des Kristalls steuerbar ist durch die Richtung des angelegten Potentials.

Es leuchtet dementsprechend ein, daß dann, wenn die Kristallscheiben 140-146 in der angegebenen Richtung jeweils polarisiert angeordnet und angeschlossen sind, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist,

so werden,infolge des Anschlusses der Gruppen, die entlang der Achse 126,im Gegensatz zu denjenigen, die entlang der Achse 128 ausgerichtet sind, auf eine Erregung aller Gruppen von der Energiequelle 132 durch die Schließung des Schalters 42 die Scheiben 140 und 144 in Längsrichtung der Achse 126 expandieren, während die Gruppen von Scheiben 142 und 146 sich entlang der Achse 128 zusammenziehen, wodurch die gewünschte Erzeugung von zwei Gruppen außer Phase befindlicher akustischer Wellen erreicht, wie dies zuvor beschrieben worden ist, in bezug auf die Ausführungsform gemäß Fig. 2A, die sich radial nach außen in die Formation 10 in vier verschiedenen Richtungen fortpflanzen.

Es ist zu bemerken, daß geradeso wie die Scheiben 140, 144 und 142, 146 ersetztverden können, an die Stelle der Stäbe 66 und 68 ähnliche Gruppen von Scheiben die Stäbe einer jeden Mehrfachstabanordnung ersetzen können, die gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ändert sich jedoch die Polarität und der Anschluß einer jeden Scheibengruppe, in bezug auf die nächstbenachbarte Scheibengruppe auf jeder Seite (in der gleichen Weise wie benachbarte magnetostriktive Stäbe wechseln, hinsichtlich des Vorzeichens der Dehnungskonstanten), um die gewünschte Erzeugung der akustischen Wellen außer Phase zu erzielen, wie dies zuvor diskutiert wurde.

In Fig. 8 ist eine alternative Ausführungsform 200 der Quadrupolschubwellenquelle gemäß Fig. 2A dargestellt, und zwar in einer stark vereinfachten Form, durch das Weglassen des Gehäuses und anderen Bestandteilen, zur größeren Klarheit. Ein Dorn 202 ist innerhalb des (nicht dargestellten) Gehäuses 60 koaxial zur Mittelachse 28 angeordnet, der hinsichtlich seines Effektes funktional äquivalent ist einer Verlängerung der Dorne 62 und 68 gemäß Fig. 2A, die nunmehr ein einstückiges Teil bilden, das

aus dem Dorn 202 besteht. Radial nach außen von dem Dorn 202 erstrecken sich vier Stababschnitte 204, 206, 208 und 210. Die Projektionen eines jeden solchen Stababschnittes auf eine Ebene senkrecht zur Mittelachse 28 besitzen im wesentlichen den gleichen Abstand und schließen den gleichen Winkel /S ein. Ein solcher Stab 204-210 trägt an seinem radial äußersten Ende einen entsprechenden akustischen Reflektor 204A, 206A, 208A bzw. 210A, wobei die Reflektoren 204A-210A im wesentlichen hinsichtlich ihres Aufbaues und Zwecks identisch sind mit den Strahlern 102-108 der Fig. 2A. In einer ähnlichen Weise ist auch um jeden solchen Stab 204-210 eine entsprechende Spule 204B, 206B, 208B und 210B gelegt, ebenfalls für den gleichen Zweck wie die Spulen 86 und gemäß Fig. 2A.

Diametral einander gegenüberliegende Stäbe 204 und 208 bestehen aus einem ersten magnetostriktiven Material, und die Stäbe 206 und 210 aus dem zweiten magnetostriktiven Material mit einer Dehnungskonstante, die sich hinsichtlich ihres Vorzeichens von derjenigen der Stäbe 204 und 208 unterscheidet, und zwar aus dem gleichen Grund, wie bereits oben ausgeführt.

Der grundsätzliche Unterschied zwischen der in Fig. 8 dargestellten Ausfuhrungsform von derjenigen der Darstellung in Fig. 2A liegt darin, daß die Längsachsen der Stäbe 204-210 statt der Erstreckung in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse 28 (wie in dem Fall der Ausführungsform gemäß Fig.2A) sich allgemein nach unten in Richtung auf die Detektoren 25 erstrecken und einen Winkel o6 mit der Mittelachse 28 einschließen. Wie in dem eingangs zitierten Stand der Technik angegeben, wurde herausgefunden, daß bei einer entsprechenden Auswahl des Winkels e0 (und dementsprechend der Richtung der akustischen Wellen, die von den Strahlern 204A-210A ausgehen) als Funktion der Formationscharakteristika und ähnlichem, die Bildung der akustischen Schubwellen in der Formation 10 unterstützt werden kann, vorzugsweise relativ zu der Bildung von akustischen Druckwellen. Dem-

Entsprechend ist bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform dieses Phänomen vorteilhaft bei der Auslegung eingesetzt worden, weshalb die Längsmittelachsen 204O210C der entsprechenden Stäbe 204-210 im wesentlichen nach unten ausgerichtet sind. Dies bewirkt, daß ihre entsprechenden Strahler 204A-210A in einer ähnlichen Weise ihre Strahlungsflächen im allgemeinen nach unten gerichtet haben, so daß die akustischen Wellen von deren radial nach außen gerichteten Flächen in Richturg der Pfeile abgestrahlt werden, die auf den Achsen 204C-210C eingetragen sind.

Im Hinblick auf Fig. 1 ist zu bemerken, daß die Zwischenfläche zwischen dem Bohrlochfluid 14 und der Formation 10 nicht nur einen Teil der Druckwellenenergie, die sich in dem Bohrlochfluid 14, weg von der Quelle 26 fortbewegt (bei der Ausführungsform gemäß fig. 2A, oder der Ausführungsform gemäß Fig. 8) in akustische Schubwellenenergie umsetzt, die sich in die Formation 10 fortpflanzt, sondern daßfein anderer Teil der Druckwellenenergie in dem Fluid 14 umgesetzt wird in eine akustische Druckwellenenergie, die sich ebenfalls in die Formation 10 fortpflanzt. Die Schubwellen, die in der Formation 10 induziert werden, interferieren miteinander und erzeugen eine Quadrupolschubwelle in der Formation 10. In einer ähnlichen Weise interferieren die Druckwellen, die in der Formation 10 induziert worden sind, und erzeugen eine Quadrupoldruckwelle in der Formation 10. Das Verhältnis der Quadrupolschubwellenenergie zur Quarupoldruckwellenenergie, die durch die Quelle 26 in der Formation 10 erzeugt wurde, hängt ab von dem vorerwähnten Winkel, mit welchem die Druckwellen in dem Fluid 14 auf die Zwischenfläche zwischen dem Fluid 14 und der Formation 10 auftreffen und hängt weiterhin ab von der Frequenz der Quelle.

Für die unmittelbare akustische Schubwellenaufzeichnung ist es erstrebenswert, die Erzeugung von Schubwellen in der Formation relativ zur Erzeugung von Druckwellen hierin zu verstärken. Dies

kann in der Weise erreicht werden, wie im vorletzten Absatz beschrieben wurde. Im Gegensatz dazu, kann es für eine effiziente akustische Druckwellenaufzeichnung erstrebenswert sein, die Erzeugung von Druckwellen in der Formation 10 relativ zur Erzeugung von Schubwellen hierin zu verstärken.

Die Quelle 26, die in der gleichen Weise betrieben wird, wie dies in bezug auf die Quadrupolschubwellenaufzeichnung beschrieben wurde, kann eingesetzt werden, um die Quadrupoldruck-Wellenaufzeichnung durchzuführen. Die Quadrupoldruckwellenankunft an den Detektoren tritt ein vor der Quadrupolschubwellenankunft an den Detektoren, so daß die gleichzeitige Erzeugung von Quadrupolschubwellen in der Formation 10 (wobei die Quadrupoldruckwellen von Interesse sind, bei der Quadrupoldruckwellenaufzeichnung) nicht den Druckwellenaufzeichnungsbetrieb behindert. Um in einer effizienten Weise die akustische Quadrupoldruckwellenaufzeichnung durchzuführen, unter Verwendung der Ausführungsform 200 (in Fig. 8 dargestellt) der Quelle 26, ist es erstrebenswert, daß der Neigungswinkel der Stäbe 204-210 relativ zur Achse 28 so eingestellt wird, daß die Stabachsen im wesentlichen senkrecht ' auf der Mittelachse 28 stehen, so daß die Erzeugung von Druckwellen in der Formation 10 verstärkt wird, relativ zur Erzeugung der Schubwellen hierin.

Dem Fachmann leuchtet ein, daß die Dipol-, Oktopol- und andere Ausführungsformen der akustischen Quelle gemäß der Erfindung in einer ähnlichen Weise geeignet sind, sowohl für die akustische Multipolschubwellenaufzeichnung als auch für die akustische Multipoldruckwellenaufzeichnung.

Es leuchtet ein, daß die allgemeine Abwärtsrichtung der Stäbe und der entsprechenden Strahler nur in bezug auf die Quadrupolquelle gemäß Fig. 8 gezeigt sind, wobei dieses Konzept natürlich vorteilhaft eingesetzt werden kann auf jede hier beschriebene Multipolquelle gemäß der Erfindung, unabhängig von der Zahl der

Stäbe, die in der Quelle vorgesehen sind, oder ob es sich um ein magnetostriktives oder piezoelektrisches Material handelt.

In Fig. 9A ist eine weitere Ausführungsform 220 gemäß der Erfindung dargestellt, mit einer akustischen Dipolwellenquelle. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8, ist ein Dorn 222 vorgesehen, koaxial mit der Mittelachse 28, in welchem eine Queröffnung ausgebildet ist, in welcher sich ein Stab 224 befindet. Der Stab wird von dem Dorn 222 mit Hilfe einer Heftschweißung 228a oder ähnlichem gehalten, zwischen dem Stab 224 und der Innenfläche des Dorns 222, der einen Teil der Öffnung bildet. Der Stab 224 besteht vorzugsweise aus einem magnetostriktiven Material, wie dies zuvor, unter Bezugnahme auf andere ähnliche Stäbe beschrieben wurde, und trägt ebenfalls in einer ähnlichen Weise vorzugsweise eine elektrische Spule 226, die hier herumgelegt ist. Alternativ besteht der Stab aus einem piezoelektrischen Material, wie die Scheibengruppen, die oben, unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben wurden. Das radial äußerste Ende des Stabes 224 ist mit Hilfe einer Heftnaht 228b oder ähnlichem mit einem zylindrischen, akustischen Strahler 230 verbunden. Die Länge des Stabes 224 ist vorzugsweise so ausgewählt, daß der Zylinder 230 in koaxialer Beziehung zu dem Dorn 220 und der Mittelachse 28 steht, wenn sich die Quelle 220 in ihrem Ruhestatus befindet.

Außerdem ist zu bemerken, daß der Innendurchmesser des Zylinders 230 vorzugsweise im Hinblick auf den äußeren Durchmesser des Domes 222 so ausgewählt ist, daß die äußeren und inneren Flächen des Dorns 222 bzw. des Zylinders 230 einen zylindrischen Bereich 232 definieren.

In Fig. 9B ist die Draufsicht auf die Quelle 220 gemäß Fig. 9A dargestellt, wobei der Zylinder 230 in koaxialer Ausrichtung auf die Mittelachse 28 dargestellt ist, während gleichzeitig in strichpunktierten Linien dargestellt ist, daß er entlang der Achse 126 verschoben ist, so daß nicht langer eine koaxiale Ausrichtung auf die zentrale Achse 28 besteht. Bei Erregung der Spule 226, die um den Stab 224 gelegt ist, leuchtet ein, daß der Stab 224 seine Länge ändert, oder entlang seiner Längsachse 126 vibriert. Da das innere und äußere Ende des Stabes 224 jeweils an dem Dorn 222 bzw. dem Zylinder 230 mit Hilfe von Heftschweißungen 228a bzw. 228b oder ähnlichem befestigt sind, wird jede solche Längsbewegung des Stabes 224 auf den Zylinder 230 übertragen, wodurch der Zylinder 230 in Oszillation versetzt wird, von einer koaxialen Ausrichtung auf die Mittelachse 28, in einer Ausrichtung, wie sie in strichpunktierten Linien dargestellt ist. Eine solche Bewegung des Zylinders 230, bei welchem es sich um einen akustischen Strahler aus ähnlichem Material und Aufbau handelt, wie die zuvor beschriebenen, führt zur Erzeugung einer ersten akustischen Druckwelle, die nach links in Fig. 9B entlang der Achse 126 verläuft und gleichzeitig einer zweiten akustischen Druckwelle, die sich in einer allgemeinen Richtung nach rechts in Fig. 9B, entlang der Achse 126 fortpflanzt. Darüber hinaus sind die Hauptstrahlungskeulen dieser Druckwellen, die sich in Richtung der Pfeile fortpflanzen, um 180 außer Phase zueinander, wodurch das angestrebte Dipolstrahlungsmuster der Quelle gemäß der Ausführungsform 220 , nach den Fig. 9A und 9B entsteht.

Es kann jedoch noch ein anderer Aufbau erstrebenswert sein für die vorerwähnten QiäLlen höherer Ordnung (wie beispielsweise die Oktopolquelle), wobei die vollen Stäbe aus alternierendem magnetostriktivem Material nicht die gewünschte 180°-Phasenbeziehung zwischen nebeneinanderliegenden Stabenden erzeugen.

Bei dieser anderen Ausführungsform werden zwei N-seitige, regelmäßige Vielecke aufgebaut und im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet, koaxial um die Mittelachse 28 und in einem Winkel, in bezug auf die Mittelachse 28, relativ zueinander um den Winkel /L . Alle Seiten des einen Vielecks bestehen aus einem ersten magnetostriktiven Material mit positiver Dehnungskonstante und diejenigen des zweiten Vielecks aus dem zweiten magnetostriktiven Material mit einer negativen Dehnungskonstante.

Um beispielsweise eine Oktopolquelle dieses allgemeinen Typs aufzubauen, werden zwei gleichseitige Dreiecke in einem Winkel zueinander um die Achse 28 von 60° relativ zueinander angeordnet, so daß eine 6-eckige Sternform entsteht. Wenn die Spulen um die Seiten der Dreiecke erregt werden, dehnt sich ein Dreieck aus, während sich das andere zusammenzieht und umgekehrt während des nächsten Zeitintervalls. Wenn akustische Strahler an jeder Spitze eines jeden Dreiecks angeordnet werden, die radial nach außen von der Achse 28 weg gerichtet sind, so leuchtet ein, daß eine Hauptstrahlungskeule akustischer Energie sich von jeder der sechs Ecken der beiden Dreiecke nach außen fortpflanzt, wobei jede Strahlungskeule um 180° außer Phase ist von der nächstbenachbarten auf jeder Seite.

Es ist möglich, akustische Quellen, entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung, aufzubauen, die extrem energiereiche,

außerphasige, akustische Druckwellen erzeugen können, innerhalb einer Sonde 16, die hinreicht, um leicht starke Dipol-, Quadrupol- oder Schubwellen höherer Ordnung in der Formation von Interesse erzeugen können. Die gewünschte Frequenz (A der zu erzeugenden akustischen Wellen steuert die Wahl der speziellen Parameter der Stäbe, wie die Stäbe 66-68, der Gruppen, wie 140-146 und Strahler, wie Strahler 102-108. Die typischen angestrebten Frequenzbereiche der Oszillation für die Quellen, die hier beschrieben worden sind, liegen im Bereich von gerade unter 3KHz - 14 KHz, oder sogar höher, wobei Frequenzen von

etwa 3KHz oft typisch sind für direkte akustische Quadrupolschubwellenvermessung in relativ "weichen" Formationen und bei etwa 6 KHz oder höher für die direkte akustische Quadrupolschubwellenvermessung bei "harten" Formationen. 5

Im einzelnen können für eine vorgegebene natürliche Quellenfrequenz U , wobei die Masse M eines jeden Strahlers, der Elastizitätsmodul E, die Querschnittsfläche A und die Länge L eines jeden STabes gleich sind, während die Masse für jeden Stab klein ist, verglichen mit derjenigen des zugeordneten Strahlers, diese Parameter gemäß der nachfolgenden Beziehung ausgewählt werden:

Al = £(2 χ E χ A)/(M χ L )\^1/2 15

Aufgrund der hohen Stärke der akustischen Wellen, die mit der Quelle gemäß der Erfindung erzeugt werden können, wurde herausgefunden, daß die akustischen Wellen, die mit einer Frequenz erzeugt werden, die der ersten Harmonischen der Nennoszillationsfrequenz der Stäbe entspricht (wobei die erste Harmonische auch in den Oszillationen vorhanden ist)eine hinreichende Größe besitzt, so daß die direkte Quadrupolschubwellenvermessung erzielt werden kann, wobei die Quelle 26 sowohl für weiche als auch für harte Formationen bei der gleichen Nennoszillationsfrequenz betrieben werden kann.

Darüber hinaus ist es aufgrund der Stärke der Quelle möglich, eine Bohrloch-zu-Bohrloch-Vermessung oder eine "quer-zum-Bohrlo-ch"-Messung durchzuführen, wobei die Formation 10 akustisch an einem Bohrloch erregt wird mit der erfindungsgemäßen Quelle, während die akustische Aufzeichnung in einem benachbarten Bohrloch aufgenommen wird.

Da oszillierende, magnetostriktive Stäbe vorgesehen werden können, die über Magnetfelder erregt werden, ist eine relativ geringe Energiezufuhr niedriger Spannung erforderlich, um die entsprechenden Spulen zu erregen. Hierin liegt ein besonderer Vorteil gegenüber herkömmlichen piezoelektrischen Vibrationselementen, die typischerweise eine höhere Spannungszufuhr erfordern, wodurch Geräuschprobleme und ähnliches verursacht wird. Wenn jedoch die "Gruppenanordnungs"-Stäbe aus piezoelektrischem Scheibenmaterial für die magnetostriktiven Stäbe ersetzt werden, wie im Fall der anderen Ausfuhrungsform gemäß Fig. 6, so können diese Probleme durch sorgfältige Konstruktion vermindert werden.

Es leuchtet ein, daß die Betriebsprinzipien der akustischen Wellenquellen gemäß der Erfindung, wie sie hier beschrieben ist, mit relativ geringen Änderungen zu akustischen Wellendetektoren umgebaut werden können, so daß die Detektoren dementsprechend ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.

So leuchtet beispielsweise aus der Darstellung in Fig.2A ohne weiteres ein, daß dann, wenn die dort gezeigte Quelle als Detektor eingesetzt wird, akustische Wellen in dem Bohrlochfluid 14 aufgenommen werden, im Gegensatz zu denjenigen, die erzeugt werden, wenn sie als Quelle eingesetzt werden. Im einzelnen treten die akustischen Wellen durch die Fenster 27A-D, usw. ein, so daß sie auf die Stäbe 66-68 und die Strahler 102-108 fallen.

Die auf die Stäbe 66-68 auftreffende Energie verursacht Vibrationen hierin, die meßbare Signalpotentialniveaus in den Spulen 86-88 induzieren, welche funktionell zu den akustischen Wellen in Beziehung stehen.

Nach allem leuchtet ein, daß durch die Erfindung die aufgezeigten Vorteile erzielt werden können und die eingangs gestellte Aufgabe gelöst wurde, wie sich aus der Beschreibung der Vorrichtung mit ihren verschiedenen Ausführungsformen ergibt. Es ist jedoch noch zu erwähnen, daß bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen vorteilhaft und zweckmäßig sein können. Darüber hinaus soll noch einmal ausdrücklich angeführt werden, daß es sich bei der Beschreibung lediglich um eine solche beispielhaften Charakters handelt und daß verschiedene Änderungen der Form und der Materialzusammensetzung möglich sind, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (56)

Vorrichtung und Verfahren zur Einleitung akustischer Wellen in eine Erdformation Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Einleitung akustischer Wellen in eine Erdformation, die von einem Bohrloch mit einer Achse durchdrungen ist, gekennzeichnet durch

eine Gehäuse (60) mit einer Längsmittelachse (28), in Vielehe mindestens ein Fenster (27A-D) vorgesehen ist, wobei das Gehäuse (60) derart in das Bohrloch (12) eingebracht ist, daß

8AD ORIGINAL

If

-2- ■ ■;;■

die Längsmittelachse (28) im wesentlichen parallel zur Bohrlochachse verläuft,

mindestens einen Stab (66, 68), der so in dem Gehäuse (60) angeordnet ist, daß seine Längsachse (126, 128) durch eines der Fenster (27A-D) verläuft, zur elektrischen Erzeugung von akustischen Wellen innerhalb des Gehäuses (60), in einer solchen Weise, daß die akustischen Wellen in Richtung auf die Formation fortschreiten und an der Zwischenfläche zwischen dem Bohrloch und der Formation in Richtung der Längsachse (126, 128) aufeinander fallen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Stab (66) vorgesehen ist, der eine erste Länge besitzt und sich in Richtung der ersten Längsachse (126) erstreckt, wobei sich diese erste Länge entsprechend einer elektrischen Erregung ändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,dadurch gekenn-

» 20 zeichnet, daß ein zweiter Stab (68) vorgesehen ist, der 'f eine zweite Länge besitzt und sich in Richtung einer zweiten * Längsachse (128) erstreckt, wobei sich die zweite Länge entsprechend der elektrischen Erregung ändert.

4. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine Stabanordnung vorgesehen ist, mit einem ersten Stababschnitt und einem zweiten Abschnitt, die jeweils ein äußeres und ein inneres Ende besitzen, und die inneren Enden des ersten und des zweiten Abschnittes miteinander verbunden sind, während die beiden Abschnitte jeweils eine Längsachse besitzen, die sich jeweils durch eines der Fenster erstrecken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des ersten Abschnittes des ersten Stabes und die Längsachse des zweiten Abschnittes des ersten Stabes kolinear sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß die erste Stabanordnung außerdem einen zweiten Stab umfaßt, mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt, wobei der erste und der zweite Abschnitt des zweiten Stabes ein äußeres und ein inneres Ende besitzen und die inneren Enden des ersten Abschnittes und des zweiten Abschnittes des zweiten Stabes mit den inneren Enden des ersten und des zweiten Abschnittes des ersten Stabes verbunden sind, während jeweils der erste und der zweite Abschnitt des zweiten Stabes eine Längsachse besitzen, die sich durch eines der Fenster erstreckt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Längsachse des ersten Abschnittes des zweiten Stabes und die Längsachse des zweiten Abschnittes des zweiten Stabes kolinear sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet , daß der erste Stab aus einem ersten magnetostriktiven Material mit einer ersten Dehnungskonstanten und der zweite Stab aus einem zweiten magnetostriktiven Material mit einer zweiten Dehnungskonstanten mit einem gegenüber der ersten Dehnungskonstanten umgekehrten Vorzeichen besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet , daß die äußeren Enden des ersten Stabes den gleichen Abstand von der Verbindung der inneren Enden des ersten Stabes besitzen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,dadurch gekennzeichnet , daß die äußeren Enden des zweiten Stabes den gleichen Abstand von der Verbindung der inneren Enden

des zweiten Stabes besitzen.
5

11. Vorrichtung nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet , daß die äußeren Enden des ersten und des zweiten Stabes in einer Ebene liegen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden des ersten und des zweiten Stabes jeweils einen gleichen Abstand von der Verbindung der inneren Enden des ersten und des zweiten Stabes besitzen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine Stabanordnung außerdem erste akustische Strahler (102, 104, 106, 108) umfaßt, die jeweils an einem der äußeren Enden des ersten und zweiten Abschnittes der ersten Stabanordnung befestigt sind, wobei jeder der ersten Strahler zwischen jeweils einem der äußeren Enden des ersten Stabes und einem Fenster angeordnet ist, durch welches die Längsachse verläuft, die dem jeweiligen äußeren Ende des ersten Stabes zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13,dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine Stabanordnung außerdem zweite akustische Strahler (102-108) umfaßt, die jeweils an einem äußeren Ende der ersten und zweiten Abschnitt des zweiten Stabes angeordnet sind, wobei jeder der zweiten Strahler zwischen jeweils dem äußeren Ende des zweiten Stabes und mindestens einem Fenster angeordnet ist, durch welches die Längsachse verläuft, die dem jeweiligen äußeren Ende des zweiten Stabes zugeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14,dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stab aus Nickel besteht.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stab aus 2V Permendur besteht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14,dadurch gekennzeichnet , daß die Projektion des ersten Stabes auf eine erste Ebene senkrecht zur Mittelachse senkrecht auf der Projektion des zweiten Stabes auf die erste Ebene steht.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17,dadurch gekennzeichnet , daß jeweils die Längsachse eines jeden der ersten und zweiten Abschnitte des ersten und des zweiten Stabes mit der Mittelachse des Gehäuses einen Winkel von weniger als 90° bildet.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Stabanordnung aus einem piezoelektrischen Material besteht.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14,dadurch gekennzeichnet , daß auf eine elektrische Erregung die äußeren Enden des ersten und des zweiten Stabes jeweils in Richtung ihrer Längsachsen vibrieren, so daß die Länge des ersten Stabes und die Länge des zweiten Stabes sich über die Zeit ändern.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20,dadurch gekennzeichnet, daß die Längenänderungen des ersten Stabes im wesentlichen 180° außer Phase mit den Längenänderungen des zweiten Stabes sind, wobei die Längenänderungen des eisten und des zweiten Stabes auf die ersten und zweiten Strahler übertragen werden, die an den äußeren Enden des ersten bzw. des zweiten

Stabes befestigt sind, so daß die ersten Strahler erste akustische Druckwellen erzeugen, die nach außen von den ersten Strahlern fortschreiten, während die zweiten Strahler zweite akustische Druckwellen erzeugen, die nach außen von den zweiten Strahlern fortschreiten und die ersten und zweiten Druckwellen im wesentlichen 180° außer Phase sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21,dadurch gekennzeichnet ,daß die ersten und zweiten akustischen Druckwellen eine Amplitude und Frequenz besitzen, die ausreichen, um eine akustische Schubwelle in der Formation zu erzeugen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 14,dadurch gekennzeichnet , daß der erste und der zweite Stab im wesentliehen den gleichen Elastizitätsmodul E, die gleiche Querschnittsfläche A und Länge L besitzen, und in einer Ebene liegen, wobei die Masse des ersten und des zweiten Strahlers gleich groß M ist, während M, E, A und L aus einer vorbestimmten Frequenz

6Jq der ersten und zweiten Druckwelle ausgewählt sind, ent-

sprechend der nachfolgenden Beziehung:

^_q =[(2 χ E χ A)/(M χ L)]^1/2

24. Vorrichtung zur Einleitung akustischer Wellen in eine Erdformation, gekennzeichnet durch:

ein hohles Gehäuse mit einer zylindrischen inneren Oberfläche in koaxialer Ausrichtung zur Mittelachse,

eine obere und eine untere Abschlußplatte (76), (64), die einen dichten Abschluß mit der Innenfläche des Gehäuses bilden und mit der inneren Oberfläche einen zylindrischen Hohlkörper de-

finieren,

eine kreuzförmig ausgebildete Stabanordnung, die innerhalb des Hohlkörpers vorgesehen ist, mit
5

einem ersten Stab, der sich in Richtung und koaxialer Ausrichtung einer ersten Achse erstreckt und

einem zweiten Stab, der sich in Richtung und koaxialer Ausrichtung einer zweiten Achse erstreckt,

wobei die erste, die zweite und die Mittelachse im wesentlichen jeweils senkrecht aufeinanderstehen und sich in einem den Mittelpunkt der Stabanordnung bildenden Punkt schneiden,

und der erste Stab einander gegenüberliegende Endenbesitzt, die entlang der ersten Achse einen ersten Abstand auf jeder Seite von dem Mittelpunkt besitzen, während der zweite Stab einander gegenüberliegende Enden aufweist, die entlang der zweiten Achse einen zweiten Abstand von jeder Seite des Mittelpunktes aufweisen

eine Mehrzahl von akustischen Strahlern, wobei erste akustische Strahler an jeweils einander gegenüberliegenden Enden des ersten Stabes und zweite akustische Strahler an jeweils den gegenüberliegenden Enden des zweiten Stabes angeordnet sind, und die ersten STrahler jeweils eine Abstrahlungsoberflache aufweisen, die im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur ersten Achse liegen und diese schneiden, während die zweiten Strahler jeweils eine Abstrahlungsoberflache aufweisen, die im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur zweiten Achse liegen und diese schneiden,

wobei das Gehäuse eine Mehrzahl akustischer Fenster aufweist, die jeweils in einem Abstand außerhalb, in bezug auf die Mittelachse, von mindestens einem der ersten und zweiten Strahler angeordnet sind,

während eine erste Spule (86) um den ersten Stab in koaxialer Ausrichtung mit der ersten Achse gelegt ist, zur Veränderung des Abstands zwischen den Enden des ersten Stabes entlang der ersten Achse, auf die Erregung der ersten Spule hin und

eine zweite Spule (88), die um den zweiten Stab in koaxialer Ausrichtung mit der zweiten Achse gelegt ist, zur Änderung des Abstandes zwischen den Enden des zweiten Stabes entlang der zweiten Achse auf die Erregung der zweiten Spule hin.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24,dadurch gekennzeichnet , daß

der erste Stab aus einem ersten magnetostriktiven Material besteht und

der zweite Stab aus einem zweiten magnetostriktiven Material besteht, das sich von dem ersten magnetostriktiven Material unterscheidet.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25,dadurch gekennzeichnet , daß

das erste magnetostriktiv^ Material eine erste Dehnungskonstante aufweist und

das zweite magnetostriktive Material eine zweite Dehnungskonstante besitzt, die ein entgegengesetztes Vorzeichen gegenüber der ersten Dehnungskonstanten aufweist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, da durch gekennzeichnet , daß der Absolutwert der ersten Dehnungskonstante geringer ist als derjenige der zweiten Dehnungskonstante, während außerdem ein elektrisch leitendes Metallelement um den zweiten Stab gelegt ist, so daß der Absolutwert der effektiven Dehnungs-

konstante des umhüllten zweiten Stabes auf einen Wert reduziert ist, der geringer ist als der Absolutwert der zweiten Dehnungskonstanten.

~*

28. Vorrichtung nach den Ansprüchen 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Stab aus Nickel besteht und der zweite Stab aus 2V Permendur besteht.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28,dadurch gekenn-•*·^ zeichnet, daß

die ersten Abstrahler in Richtung der ersten Achse vibrieren, zur Erzeugung von ersten akustischen Druckwellen und

■*·■* die zweiten Abstrahler in Richtung der zweiten Achse vibrieren, zur Erzeugung von zweiten akustischen Druckwellen, die außer Phase mit den ersten akustischen Druckwellen sind.

30. Verfahren zur Einleitung akustischer Schubwellen in einer

unterirdischen Formation, die von einem Bohrloch mit einer Mittel-' längsachse durchdrungen ist, dadurch gekennzeichnet , daß man:

in dem Bohrloch mindestens einen Stababschnitt anordnet, der " ein äußeres Ende aufweist und dessen Längsachse die Mittelachse und das äußere Ende schneidet, wobei dieser Stababschnitt eine akustische Abstrahlungsoberflache aufweist, die an dessen äußerem Ende befestigt ist, so daß die Oberfläche durch die Längsachse des zugeordneten Stababschnittes, an welcher die Oberfläche be-^ου festigt ist, geschnitten wird und die Oberfläche nach außen auf die Formation gerichtet ist, und

rasch die Länge des Stababschnittes entlang seiner Längsachse in einer solchen Weise ändert, daß akustische Druckwellen von der Strahlungsoberfläche in die Formation fortschreiten, wobei die akustischen Druckwellen an der Zwischenfläche zwischen dem

Bohrloch und der Formation in Richtung der Längsachse aufeinanderfallen.

31. Verfahren zur Einleitung akustischer Schubwellen in eine Erdformation, die von einem Bohrloch mit einer Mittelachse durchdrungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) innerhalb des Bohrloches eine Mehrzahl von Stäben anordnet, deren Längsachse sich in der Mittelachse schneidet und die ein äußeres Ende besitzen, an welchem jeweils eine akustische Abstrahlungsoberfläche befestigt ist, so daß die Flächen im wesentlichen nach außen auf die Formation gerichtet sind, wobei die Oberfläche durch die jeweils zugeordnete Längsachse des Stabes, an welchem die Oberfläche gehalten ist, durchschnitten wird,

(b) gleichzeitig mindestens eine Anzahl von Stäben während eines ersten Zeitintervalls streckt, während man eine andere Anzahl von Stäben verkürzt,

(c) hierauf gleichzeitig während eines zweiten Zeitintervalles die erste Anzahl von Stäben verkürzt, während man mindestens eine weitere Anzahl von Stäben streckt, und

(d) alternierend die Schritte (b) und (c) wiederholt, so daß eine erste akustische Druckwelle durch die erste Anzahl von Stäben und eine zweite akustische Druckwelle durch die zweite Anzahl von Stäben erzeugt wird, wobei sich die erste und die zweite Druckwelle im wesentlichen außer Phase in bezug aufeinander von der Abstrahlungsoberflache in die Formation fortpflanzen, so daß jede Druckwelle auf der Zwischenfläche zwischen dem Bohrloch und der Formation in Richtung der Längsachse, die dem Stab zugeordnet ist, der die Druckwelle erzeugt, auftrifft.

-K-

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet , daß die erste und die zweite Welle um 180° außer Phase sind.

33. Verfahren nach Anspruch 31,dadurch gekennzeichnet , daß man mindestens jeweils einen der ersten Anzhl von Stäben zwischen jeweils anderen der zweiten Anzahl von Stäben anordnet.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet , daß man die Längenveränderung der Stäbe durchführt, mit einer Amplitude und einer Frequenz, die ausreicht, um eine akustische Schubwelle innerhalb der Formation aus den akustischen Druckwellen zu erzeugen.

35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet , daß sich jeder der Stäbe entlang einer anderen Längsachse erstreckt, wobei die unterschiedlichen Längsachsen einen spitzen Winkel oC jeweils mit der Mittelachse bilden.

36. Verfahren nach Anspruch 35,dadur ch gekennzeichnet , daß jeweils eine unterschiedliche Längsachse der Stäbe einen Winkel β mit der benachbarten Achse bilden, und alle Winkel oC im wesentlichen gleich sind.

37. Verfahren nach Anspruch 36,dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Stäbe aus einem magnetostriktiven Material besteht und man die Streckung und Verkürzung der Stäbe durchführt, indem man die Stäbe periodisch elektrisch erregt.

38. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet , daß die Stäbe aus einem piezoelektrischen Material besteht und man die Streckung und Verkürzung der Stäbe durchführt, indem man die Stäbe periodisch elektrisch erregt.

39. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß man die Streckung und Verkürzung der Stäbe in einem Ausmaß durchführt, das ausreicht zur Erzeugung einer ersten und einer zweiten akustischen Druckwelle in einem Frequenzbereich zwischen etwa 3 KHz bis etwa 14 KHz.

40. Vorrichtung zur Einleitung akustischer Wellen in eine Erdformation, gekennzeichnet durch

einen Dorn in koaxialer Ausrichtung mit einer Mittelachse, der eine äußere Dornfläche definiert,

einen akustischen Strahler in koaxialer Ausrichtung mit der Mittelachse, der um den Dorn angeordnet ist, und eine innere Strahleroberfläche definiert, wobei die innere Fläche und die äußere Fläche einen Ringraum zwischen sich einschließen, und

eine Stabanordnung, die zwischen dem Dorn und dem Strahler angeordnet ist, zur Erzeugung einer oszillierenden Bewegung des Strahlers auf eine elektrische Erregung hin, in einer Richtung, quer zur Mittelachse des Dorns.

41. Vorrichtung nach Anspruch 40,dadurch gekennzeichnet , daß der Dorn weiterhin einen Ringraum definiert, der quer zur Mittelachse liegt und sich zwischen der äußeren Dornoberfläche und einer zylindrischen Innenfläche innerhalb des Dorns erstreckt, während eine Stabanordnung die folgenden Elemente umfaßt, nämlich:

einen Stab, der teilweise innerhalb des Dorns angeordnet ist, in dem im wesentlichen quer verlaufenden Ringbereich, wobei sich der Dorn in einer Richtung entlang einer Längsachse erstreckt, die im wesentlichen senkrecht auf der Mittelachse steht und der Stab ein inneres Ende aufweist, das mit dem Dorn in Verbindung steht, während das äußere Ende an der inneren Strahleroberfläche befestigt ist.

42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet , daß die oszillierende Bewegung des Strahlers in Richtungen senkrecht zur Längsachse des Stabes abläuft.

43. Vorrichtung nach Anspruch 42,dadurch gekennzeichnet , daß der Stab aus einem magnetostriktiven Material besteht.

44. Vorrichtung nach anspruch 43,dadurch gekennzeichnet, daß der Stab außerdem eine magnetische Spule umfaßt, die um den Stab gelegt ist, zur Erzeugung einer elektrischen Erregung.

45. Vorrichtung nach Anspruch 41,dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Stab aus einem piezoelektrischen Material besteht.

46. Vorrichtung nach Anspruch 41,dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des Dorns zylindrisch ist.

47. Vorrichtung zur Einleitung akustischer Wellen in eine Erd-

formation mit einer Mittelachse unter Bildung von 2 -Pol-Akustik-Wellen, wobei N eine ganze Zahl, nicht kleiner als l,ist, g e kennzeichnet dur ch

eine Mehrzahl von Speichen, die jeweils ein äußeres Ende besitzen und sich von einem Bereich in der Nähe der Mittelachse radial nach außen erstrecken, jeweils entlang von Längsachsen, die im wesentlichen quer zur Mittelachse ausgerichtet sind, wobei jede der Speichen auf eine elektrische Erregung entlang ihrer jeweiligen Längsachse in Oszillation versetzbar ist, und

eine Anzahl akustischer Strahler, die jeweils am äußeren Ende der Speichen befestigt sind, wobei jeder der Strahler eine Abstrahlungsoberflache aufweist, die radial nach außen in Richtung auf die Formation ausgerichtet ist, zur Abstrahlung jeweils

einer akustischen Welle von jeweils einer Strahleroberfläche in die Formation, entsprechend der Oszillation einer jeden Speiche.

48. Vorrichtung nach Anspruch 47,dadurch gekennzeichnet , daß die Projektion einer jeden der entsprechenden Längsachsen auf eine erste Ebene senkrecht zur Mittelachse einen Winkel β , in bezug auf die Projektion auf die erste Ebene einer jeden unmittelbar benachbarten Längsachse bildet und die jeweiligen Längsachsen einen Winkel qC mit der Mittelachse einschließen.

49. Vorrichtung nach Anspruch 48,dadurch gekennzeichnet, daß sie 2N der Mehrzahl der Speichen umfaßt.

50. Vorrichtung nach Anspruch 49,dadurch gekennzeichnet , daß ji gleich 360°/(2N) ist.

51. Vorrichtung nach Anspruch 50,dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillation einer jeden Speiche außer Phase, in bezug auf die Oszillation jeweils einer unmittelbar benachbarten Speiche ist.

52. Vorrichtung nach Anspruch 51,dadurch gekennzeich:

Phase ist.

zeichnet, daß die Außer-Phasen-Bewegung um 180° außer

53. Vorrichtung nach Anspruch 52,dadurch gekennzeichnet , daß QC kleiner als 90° ist.

54. Vorrichtung nach Anspruch 53,dadurch gekennzeichnet , daß die Mehrzahl der Speichenanordnungen die

folgenden Elemente umfaßt, nämlich:

eine erste Mehrzahl von Stäben aus einem magnetostriktiven Material mit einer ersten Dehnungskonstanten und

eine zweite Mehrzahl von Stäben aus einem zweiten magnetostriktiven Material, mit einer zweiten Dehnungskonstanten, die

sich hinsichtlich des Vorzeichens von der ersten Dehnungskonstanten unterscheidet, wobei jede der zweiten Mehrzahl von Stäben zwischen einem Paar benachbarter Stäbe der ersten Mehrzahl befindet.
5

55. Vorrichtung nach Anspruch 54, gekennzeichnet durch eine elektrische Spule, die um jeden der ersten Mehrzahl von Stäben sowie um jeden der zweiten Mehrzahl von Stäben gelegt ist, zur Erzeugung der elektrischen Erregung der Mehrzahl der Speichenanordnungen.

56. Vorrichtung nach Anspruch 52,dadurch gekennzeichnet , daß jede der Mehrzahl von Speichenanordnungen aus einem piezoeLektrischen Material besteht.