DE3520213A1

DE3520213A1 - Verfahren und vorrichtung zur akustischen bohrlochvermessung

Info

Publication number: DE3520213A1
Application number: DE19853520213
Authority: DE
Inventors: Sen-Tsuen Sugarland Tex. Chen; Jing-Yau Houston Tex. Chung; Mark A. Houston Tex. Miller; James C. College Station Tex. Wainerdi
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1985-06-05
Filing date: 1985-06-05
Publication date: 1986-12-11

Description

Verfahren und Vorrichtung zur akustischen Bohrlochvermessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bohrlochvermessung und im besonderen zur Erzeugung einer akustischen Multipolwelle in einer unterirdischen Formation, die von einem Bohrloch durchdrungen ist.
Es sollen zunächst einige Literaturhinweise zum Stand der Technik gegeben werden. Hierbei handelt es sich um die amerikanischen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 525,910 vom 24. August 1983 (Winbow und Baker), 440,140 vom 8. November 1982 (Winbow et al), 395,449 vom 6. Juli 1982 (Winbow und Chen), sowie 379,684 vom 19. Mai 1982 (Winbow et al), die alle im Namen der Firma Exxon Production Research Company eingereicht wurden.
Es ist schon seit langem bekannt, daß bei der Nachforschung unterirdischer Erdformationen, die von einem Bohrloch durchdrungen sind, Messungen oder "Aufzeichnungen" von akustischer Energie, die in die Formation eingeführt wird, zu extrem nützlichen Informationen hinsichtlich verschiedener Formationsparameter und -charakteristika führen können. Dementsprechend hat man eine Meßsonde in das Bohrloch eingeführt, die in irgendeiner Form einen akustischen Wellengenerator und einen Empfänger aufwies, um die akustische Energie von dem Generator in die Formation, angrenzend an das Bohrloch, in der interssierenden Höhe zu richten, um nachfolgend über den Empfänger die sich ergebenden akustischen Wellen aufzuzeichnen, die von der Formation zurückkehren.
Eine akustische Wellenart von besonderem Interesse ist auf diesem Gebot als "Schub-" oder "S"-Welle bekannt, die sich in der Formation als Ergebnis einer Vibrationsbewegung innerhalb der Formation in einem rechten Winkel zur Fortpflanzungsrichtung der Welle ausbildet. Eine allgemeine Diskussion dieser Wellenart und der hiermit in Beziehung stehenden "Kompressions-" (oder "Druck-") Wellen und dem damit in Zusammenhang stehenden Phänomen ist in "The Full Acoustic Wave Train in a Laboratory Model of a Rorrhole" von S. T. Chen, Geophysics, Band 47, Nr. 11, November 1981, zu finden, wie auch in den vorangehenden Patentanmeldungen, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Schu-bwellenvermessung ist bei der Bestimmung von Formationsfrakturen wie auch bei der Bestimmung lithologischer Eigenschaften von Formationen und ähnlichem in immer größerem Rahmen von Nutzen geworden. Einige Problem haben jedoch zu den Schwierigkeiten des erfolgreichen Einsatzes dieser Technik beigetragen.
So hat sich beispielsweise oft gezeigt, daß die Amplitude der Schubwelle unzureichend ist für eine effektive Verfahrensdurchführung und die Analyse. Typischerweise erfordert die Schubwelle eine größere Laufzeit als die Druckwelle, um den Längsabstand durch die Formation zwischen dem akustischen Generator und dem Detektor zu durchlaufen. Dementsprechend hat es sich oft als schwierig erwiesen, zwischen der erstankommenden Druckwelle und der später ankommenden Schubwelle (die ankommen kann, bevor die Druckwelle vollständig abgeklungen ist) zu unterscheiden.
Es sind Versuche gemacht worden, um die Stärke der S-Welle, die auf die Formation auftrifft, zu erhöhen, um die Größe der afgenommenen S-Welle relativ zu den anderen Signalen zu verstärken, um dabei das Verhältnis von Signal zu Geräusch zu vergrößern.
Diese Erforschungen führten zu einigen nützlichen Erfolge, wie etwa der Erkenntnis, daß der Winkel, unter welchem die akustische Energie in die Formation eintritt, die Bildung von S-Wellen unterstützen kann und weiterhin die Erkenntnis, daß akustische Multipolquellen, wie etwa die Quadrupolquellen (beschrieben in der vorerwähnten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 379,684), wirkungsvoller sein können, zur Erzeugung der angestrebten S-Wellen als Mittel zur direkten S-Wellenaufzeichnung. Der Aus- druck Miiltipolquelle" wird hier verwendet, um akustische Quellen zu beschreiben für Dipol- oder Quadrupolwellen oder Wellen höherer Ordnung, jedoch nicht zur Bezeichnung axialsymmetrischer Monopolquellen.
Schwerwiegende Probleme verblieben jedoch nach wie vor bei der erfolgreichen Erzeugung solcher S-Wellen. Beispielsweise ist es bekannt, daß Multipolquellen weniger effiziente akustische Strahler sind als Monopolquellen. Dementsprechend sind zur Erzielung der Erfolge durch Multipolquellen für die direkte S-kllenaufzeichnung mit einem verbesserten Verhältnis von Signal zu Geräusch, über das Druckwellen-"Geräusch" und andere Geräusche stärkere Multipolquellen erforderlich.
Es ergaben sich eine Reihe von Konstruktionseinschränkungen, die die Herstellung einer kräftigeren S-Wellenquelle behinderten. Im besonderen war es oft für die Durchführung akustischer S-Wellen-Meßausführungen in weichen Formationen erforderlich, starke Quellen für S-Wellen vorzusehen, mit Frequenzen von weniger als 3 kHz. Dies wiederum führte dazu, physikalisch große Quellen vorzuschlagen, um die erforderlichen niedrigen Resonanzfrequenzen zu erzeugen. Der Einsatz von großen Hochspannungsanschlüssen zur Erregung solcher physikalisch großen Quellen war jedoch nachteilig, aufgrund der erforderlichen komplizierten elektrischen Schaltung und aufgrund der Hochspannungsgeräuschinterferenzprobleme, die mit solchen Hochspannungsanschlüssen verbunden sind.
In Kenntnis dieser Nachteile des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer akustischen Multipolquelle zu schaffen, die eine eindeutige und klare Aufzeichnung sowohl harter als auch weicher Formationen gestattet.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale, wobei hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen auf die Merkmale der Unteransprüche verwiesen wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignen sich für die Erzeugung und die Übertragung von akustischen Wellen in eine unterirdische Formation, die von einem Bohrloch durchdrungen wird. Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt die Erzeugung eines oder mehrerer Paare von Druckwellen,unter Einsatz von Paaren von Vibrationsstäben, wobei ein Element eines vorgegebenen Paares in Phase mit jeweils einem Element eines anderen Paares vibriert (und außer Phase mit dem jeweils anderen Element des anderen Paares), so daß die Druckwellen zunächst innerhalb einer Sonde in im wesentlichen gleicher Richtung parallel zur Längsmittelachse laufen, worauf jede Welle radial nach außen von der sonde reflektiert wird und in die Formation, angenähert in der gleichen Bohrlochhöhe eingeleitet wird , wodurch in der Formation eine Multipolschubwelle aufgebaut wird.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt allgemein eine Sonde, die entlang des Bohrloches bewegt werden kann und einen akustischen Wellengenerator aufnimmt, sowie einen akustischen Reflektor zur Erzeugung bzw. Reflektion der vorgenannten Druckwellen radial nach außen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden vier Druckwellen erzeugt, die sich zunächst entlang vier Achsen fortpflanzen, deren Schnittpunkte mit einer Ebene senkrecht zur Mittelachse der Sonde die vier Ecken eines Rechteckes und vorzugsweise eines Quadrates definieren. Die bereits erwähnte anschließende Reflektion einer jeden dieser Druckwellen in die Formation ist derart, daß der größte Teil der Energie einer solchen reflektierten Welle sich in einer aLlgemeinen Richtung senkrecht zu einer Ebene fortpflanzt, die definiert wird durch die beiden Achsen, die in größter Nähe zur Achse der gegebenen Druckwelle liegen. Darüber hinaus ist die gegebene Druckwelle außer Phase mit den Druck- wellen, die ursprünglich entlang den beiden nächstliegenden Achsen liefen.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform umfaßt der akustische Wellengenerator vier zylindrische Stäbe, die koaxial entlang den vier Achsen ausgerichtet sind, wobei die Stabmitten auf einem Kreis senkrecht zur Mittelachse liegen und einen gleichmäßigen Abstand auf den Umfang des Kreises voneinander besitzen, so daß hierdurch ein erstes und ein zweites Paar von Stäben definiert wird, mit jeweils einem Paar aus einander diametral gegenüberliegenden Stäben. Die Stäbe des ersten Paares sind aus einem identischen ersten magnetostriktiven Material mit einer ersten Dehnungskonstanten und diejenigen des zweiten Paares ind in gleicher Weise aus einem identischen magnetostriktiven zweiten Material, das sich von dem ersten Material unterscheidet, mit einer zweiten Dehnungskonstanten, die sich von der ersten Dehnungskonstanten unterscheidet.
Um jeden Stab ist eine Spule gelegt, die bei elektrischer Erregung ein Magnetfeld in den Stäben induziert, parallel zu der jeweiligen Achse, wodurch Vibrationen der Außenflächen der oberen Enden der Stäbe bewirkt werden, die eine Quadrupolbewegung bilden, d.h., eine Bewegung entlang der Stabachsen, wodurch die Bewegung eines jeden Stabes eines vorgegebenen Paares in Phase ist miteinander, jedoch außer Phase mit denjenigen des anderen Paares, so daß die vier Druckwellen erzeugt werden.
Bei einer Ausführungsform, bei welcher vier Druckwellen mittels eines akustischen Wellengenerators erzeugt werden, umfaßt der akustische Reflektor vorzugsweise ein akustisches Reflektionsmaterial in der Form einer umgekehrten, abgestumpften, vierflächigen Pyramide, die koaxial mit der Mittelachse ausgerichtet ist, wobei das obere Ende eines jeden Stabes angrenzend und unterhalb einer jeden Fläche angeordnet ist und die Achse eines ieden Stabes die jeweilige Fläche schneidet.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen: Fig. 1 eine bildhafte Darstellung, teilweise schematisch, eines akustischen Vermessungssystems gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform einer Quadrupolschubwellenvermessungsquelle, die in Fig. 1 gezeigt ist, Fig. 3 einen Vertikalschnitt der Vermessungsquelle gemäß Fig. 2, durch eine Ebene, die die Längsachse einschließt, welche der in Fig. 1 dargestellten Meßsonde und der in Fig. 2 gezeigten Vermessungsquelle gemeinsam ist, Fig. 4 die Draufsicht auf den Querschnitt der Meßquelle gemäß Fig. 3, entlang der Schnittlinie 4-4 der Fig. 3, Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der Stabelemente und der zugeordneten Spulen der in Fig. 2 gezeigten Vermessungsquelle, unter schematischer Erläuterung der elektrischen Verdrahtung, Fig. 6A eine perspektivische Darstellung des akustischen Reflektors der in Fig. 2 dargestellten Vermessungsquelle, Fig. 6B eine Bodenansicht des in Fig. 6A gezeigten Reflektors, Fig. 7 die Draufsicht auf den Querschnitt durch eine 16-Pol-Schubwelle, gemäß einer anderen Ausführungsform der in Fig. 3 gezeigten Vermessungsquelle, Fig. 8A eine perspektivische Darstellung des akustischen Reflektors der anderen Ausführungsform der Vermessungsquelle, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist, Fig. 8B eine Bodenansicht des akustischen Reflektors gemäß Fig. 8A, Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Stabelemente und der zugeordneten Spulen der Vermessungaquelle gemäß Fig. 2, unter schematischer Erläuterung der elektrischen Verdrahtung, Fig. 10 einen Querschnitt einer aus einem Dipol bestehenden akustischen Schubwellenquelle, entsprechend einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse der Quelle, zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des akustischen Reflektors der Vermessungsquelle gemäß Fig. 10, Fig. 12 eine Bodenansicht des in Fig. 11 dargstellten akustischen Reflektors, Fig. 13 einen Querschnitt durch eine akustische Oktopolschubwellenquelle in einer Ebene senkrecht zur Längsmittelachse der Quelle, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, Fig. 14 eine perspektivische Darstellung des akustischen Reflektors der Meßquelle, die in Fig. 13 dargestellt ist, und Fig. 15 eine Bodenansicht des akustischen Reflektors, gemäß der Darstellung in Fig. 14.
Die Multipolnomenklatur basiert auf aufeinanderfolgenden Potenzen von zwei, d.h., 2n, wobei n eine ganze Zahl ist, d.h., n = 1, 2, 3 usw. bis unendlich. Somit umfassen die Multipole den Dipol (n =1), den Quadrupol (n = 2) und den Oktopol (n = 3). Die Nomenklatur für Multipole höherer Ordnung basiert auf 2n mit n - 4, 5, 6 usw.
bis unendlich. Die Multipole schließen nicht den Monopol (n - 0) ein.
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines akustischen Meßsystems gemäß der Erfindung, das sich im besonderen für die Vermessung von akustischen Schubwellen in einer unterirdischen Erdformation eignet, die von einem Bohrloch durchdrungen wird. Eine unterirdische Formation 10, die zu untersuchen ist, wird von einem Bohrloch 12 durchdrungen, das typischerweise ein Bohrlochfluid 14 enthält. Eine Meßsonde 16 ist vorgesehen, die in vertikaler Richtung entlang des Bohrloches 12 zu der gewünschten Bohrlochhöhe bewegt werden kann, bei welcher die Formation zu untersuchen ist.
Die Sonde 16 besitzt herkömmlicherweise einen abschnittsweisen Aufbau und kann einen akustischen Wellenerzeugerabschnitt 18 umfassen, sowie einen oder mehrere Detektorabschnitte, wie die Abschnitte 20, 22 und 24. Jeder Detektorabschnitt ist mit einem entsprechenden Detektor versehen, wobei die Detektoren insgesamt als Detektoranordnung 25 bezeichnet werden sollen. Die Detektorabschnitte 20, 22 und 24 enthalten die Detektoren D1, D2 bzw. Dn der Detektoranordnung 25. Andere Detektorabschnitte, die weitere Detektoren der Detektoranordnung 25 enthalten, sind nicht darge- stellt,oder nur teilweise in Fig. 1 wiedergegeben.
In einer ähnlichen Weise nimmt der Quellenabschnitt 18 die akustische Quelle 26 gemäß der Erfindung auf. Es ist festzustellen, daß die Detektorabschnitte 20, 22 und 24 typischerweise physikalisch von dem Quellenabschnitt 18 isoliert sind von einem Abstandsabschnitt 29 in einer auf diesem Gebiet hinlänglich bekannten Weise, während die Abschnitte 18 bis 24 koaxial um eine Mittellängsachse 28 ausgerichtet sind, zur Bildung der zylindrischen Sonde 16. Wenn die Sonde 16 sich innerhalb des Bohrloches 12 befindet, bildet die Mittelachse 28 vorzugsweise angenähert auch die Achse des Bohrloches 12.
Eine nähere Betrachtung der Fig, 1 zeigt, daß die Abschnitte 18, 20, 22 und 24 mit jeweils einer Gruppe akustischer Fenster 27, 36, 38 und 40 versehen sind. Obwohl jede Gruppe 27, 36, 38 und 40 gemäß der Darstellung in Fig. 1 vier Fenster umfaßt, kann jede Gruppe mehr oder weniger als vier Fenster aufweisen. Beim Betrieb erzeugt die Quelle 26 vier akustische Wellenimpulse (von denen nur einer als Druckwelle 30 dargestellt ist) in einer nachfolgend noch in größerem Detail zu beschreibenden Weise. Jeder Wellenimpuls pflanzt sich von der Quelle 26 weg in einem Winkel 8 34, relativ zu der Ebene fort, die die Linie 32 einschließt und senkrecht zur Mittelachse 28 verläuft. Ein Teil der akustischen Energie eines jeden Wellenimpulses (einschließlich der Welle 30) durchquert das Bohrlochfluid 14, tritt in die Formation 10 ein und läuft in Längsrichtung abwärts, worauf er wieder in das Fluid 14 eintritt und von den Detektoren der Detektoranordnung 25 wieder aufgenommen wird, in einer Weise, wie dies mater in größerem Detail zu erläutern sein' wird.
Eine Auslöse- und Aufzeichnungssteuereinheit 44 wird eingesetzt, um die Erregung der Quelle 26 zu den erforderlichen Zeiten zu erregen und ist durch die Anwesenheit des Schalters 42 funktionell dargestellt. Akustische Wellenformen, die von den Detektoren D1, D2 und Dn der Detektoranordnung 25, entsprechend der aus der Formation 10 auf treffenden akustischen Energie, werden über jeweilige Signalleitungen 46, 48 und 50 (und andere, nicht dargestellte Signalleitungen, die anderen Detektoren der Detektoranordnung 25 entsprechen) einer Verarbeitungsschaltung 52, 54, 56 und 58 zugeführt, zur Verarbeitung, Aufzeichnung, Darstellung und ähnliches, in der gewünschten Weise.
Im einzelnen und wie durch den Schalter 52 funktionell dargestellt, wird jedes Signal von den Leitungen 46 bis 50 über einen entsprechenden Bandpaßfilter 54 gefiltert, durch den Verstärker 56 verstärkt und dann einer Zeitintervalleinheit 58 zugeleitet, in einer Weise und zu einem Zweck, wie dies auf diesem Sachgebiet dem Fachmann geläufig ist. Die Laufzeiten der akustischen Energie von der Quelle 26 durch die Formation zu einem vorlsstimmten Detektor der Detektoranordnung 25 kann dann bestimmt werden, woraus die Geschwindigkeit der akustischen Wellen in der Formation 10 abgeleitet werden kann.
Die Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung, die eine bevorzugt Ausführungsform einer akustischen Quadrupolmeßwellenquelle 26 gemäß der Erfindung zeigt, die in Fig. 1 wiedergegeben ist und in dem Abschnitt 18 enthalten ist. Die Quelle 26 umfaßt ein hohles zylindrisches Gehäuse 60, durch welches ein unterer Stützdorn 62 hindurchgreift. Der Stützdorn 62 trägt einen scheibenförmigen Fuß 64, auf welchem vier zylindrische Stäbe 66, 68, 70 und 72 gehalten sind. Ein mittlerer Stützdorn 74 verbindet den Fuß 64 mit einem akustischen Energiereflektor 76, welcher wiederum mit einem oberen Stützdorn 78 in Verbindung steht.
In dem oberen Teil des Gehäuses 60 sind zuvor erwähnte Fenster 27 angeordnet (von denen aus Gründen der Klarheit nur zwei gezeigt sind). Jedes Fenster stellte eine Öffnung dar, die von einer dünnen Membran, wie etwa einer Gummifolie oder ähnlichem abgedeckt ist, wobei die Membran im wesentlichen akustisch transparent ist, so daß die akustischen Impulse, die im Inneren des Gehäuses 60 erzeugt werden, durch die Membran auf die umgebende Formation übertragen werden können. Die Membran ist natürlich gegenüber der Wandung des Gehäuses 60 abgedichtet, so daß ein Eindringen von Bohrlochfluid in die Freiräume des Gehäuses 60 verhindert werden kann, wobei herkömmliche Abdichtungsmittel, wie etwa Metallklammern, Verwendung finden können.
Der untere Fuß 64 trägt an seiner äußeren zylindrischen Umfangsfläche eine untere O-Ring-Aufnahmenut 83, in welcher ein O-Ring 84 eingesetzt wird, um eine Dichtung zwischen dem Fuß 64 und der Innenfläche des Gehäuses 60 zu gewährleisten. Außerdem ist eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Spiralleitung 86 88, 90 bzw. 92 um jeweils einen entsprechenden Stab 66, 68, 70 bzw. 72 herumgelegt, wobei die Spulen aus einem isolierten elektrischen Spulendraht bestehen.
Eine erste und eine zweite Öffnung 94 und 96 durchgreifen den mittleren Stützdorn 74 zur Aufnahme der Leiterenden der jeweiligen Spulen 86 und 88, wobei diese Leiter an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sind, die nachfolgend noch zu beschreiben ist.
Weitere (nicht dargestellte) Öffnungen in dem Dorn 74 können erforderlichenfalls vorgesehen sein, um die Leiterenden der Spulen 90 und 92 in gleicher Weise aufzunehmen.
Der akustische Reflektor 76 besitzt,ähnlich wie der Fuß 64, eine obere O-Ringaufnahmenut 116, in welcher ein entsprechender O-Ring 118 angeordnet ist für die Abdichtung zwischen der äußeren zylindrischen Peripherie des Reflektors 76 und der inneren Oberfläche des Gehäuses 60. Auf diese Weise leuchtet ein, daß ein (in Fig. 3 dargestelltes) inneres Volumen 124 gebildet wird, das von der Außenseite des Gehäuses 60 und von den Bereichen oberhalb des Reflektors 76 bzw. unterhalb des Fußes 74 abgedichtet ist. Das Volumen 124 ist vorzugsweise mit einem Fluid, wie Öl oder ähnlichem, ausgefüllt, für eine akustische Impedanz, die mit dem Fluid 14 übereinstimmt.
Es soll nun auf die Fig. 3 und 4 in größerem Detail eingegangen werden, wobei es sich bei diesen Figuren jeweils um eine Seitenansicht bzw. die Draufsicht der akustischen Quelle 26 der Fig. 2 handelt, mit weiteren detaillierten Darstellungen. Zunächst ist festzustellen, daß im Innere und in Längsrichtung des mittleren Dornes 74, des Reflektors 76 und des oberen Dornes 78 entlang der Mittelachse 28 jeweils koaxial aufeinander ausgerichtete Durchlässe 98, 100 und 102 vorgesehen sind.
Der Durchlaß 98 steht mit den Öffnungen 94 und 96 in Verbindung, so daß die Leiterenden der Spulen 86 bis 92 durch die Öffnungen 94 und 96 sowie durch die Durchlässe 98 bis 102 an eine Quelle elektrisch Energie geführt werden können.
In den Fig. 3 und 4 sind Gewindeaussparungen 104 und 106 in dem Fuß 64 gezeigt, sowie Schraubaussparungen 108 und 110 in dem Reflektor 76, zur Aufnahme der passenden Gewindeenden des unteren, mittleren und oberen Dorns 62, 74 bzw. 78. In einer ähnlichen Weise sind Gewindeaussparungen 112 und 114 in dem Fuß 64 vorgesehen, zur einfachen Halterung der vier Stäbe 66 bis 72 an dem Fuß 64.
Zwei Dauermagnete 120 und 122 sind innerhalb des Reflektors 76 dargestellt und werden von diesem gehalten, wobei jeder koaxial auf jeweils einen der Stäbe 66 und 70 ausgerichtet ist, aus einem Grund, der später noch in größerem Detail im Hinblick auf eine andere Ausführungsform erläutert werden wird. Es ist jedoch zu bemerken, daß in der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 3 die Magnete weggelassen werden.
In Fig. 4 ist eine X-Achse und eine Y-Achse 126 bzw. 128 dargestellt, die senkrecht aufeinander stehen und die Mittelachse 28 zur Erleichterung der nachfolgenden Beschreibung schneiden. Aus einem ähnlichen Grund ist ein Kreisbogen 130 dargestellt, der in der Ebene liegt, die definiert ist durch die Achsen 126 und 128 und durch die Längsachsen oder die Mitten der Stäbe 66 bis 72 läuft.
Die Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung der Stäbe 66 bis 72 und der entsprechenden Spulen 86 bis 92 der Meßquelle 26 gemäß Fig.2 und soll den funktionellen elektrischen Anschluß und den Aufbau in größerem Detail erläutern. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Stäbe 66 bis 72 jeweils aus einem ferromagnetischen Material mit einer Eigenschaft, die als magnetostriktives Phänomen bekannt ist, wobei dann, wenn ein Magnetfeld an das Material in Richtung seiner Längsachse gelegt wird, entsprechende Längenänderungen des Materials in Richtung seiner Längsachse auftreten Das Ausmaß der Änderung, und ob sich das Material ausdehnt oder zusammenzieht bei der Magnetisierung, ist eine Funktion des speziellen Materials. Dmentsprechend zeigen verschiedene Materialien unterschiedliche Materialdehnungskonstanten (Änderungen der Länge pro Längeneinheit aufgrund der Magnetostriktion), wobei manche von ihnen positiv oder negativ sein können (hierbei wird angezeigt, ob das Material sich ausdehnt, oder verkürzt, bei einer entsprechenden Magnetisierung) Darüber hinaus können diese Korstanten groß oder klein sein (wodurch eine größere oder kleinere prozentuale Änderung der Länge für eine vorgegebene magnetische Feldstärke angezeigt wird.) Wenn man die vorausgehenden Ausführungen auf die Ausführungsform gemäß Fig. 5 anwendet, so leuchtet ein, daß das soeben beschriebene magnetostriktive Phänomen eingesetzt werden kann, um einen magnetostriktiven Vibrator zu erstellen, der in der Lage ist, eine akustische Druckwelle zu erzeugen. Im einzelnen sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 die Stäbe 66 und 70 erstrebenswerterweise aus einem ferromagnetischen Material hergestellt, das als 2V Permendur bekannt ist und eine positive Dehnugnskonstante besitzt, während die Stäbe 68 und 72 aus einem ferromagnetischen Material, wie Nickel, bestehen, das eine negative Dehnungskonstante aufweist, mit einem Absolutwert, der geringer ist als derjenige des 2V Permendur.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß bei der Anlage eines Magnetfeldes an die Stäbe 66 und 70 durch die Schließung des Schalters 42 und die hierdurch erfolgte Erregung der entsprechenden Spulen 86 und 90 von der elektrischen Energiequelle 132 bewegen sich die oberen Kreisflächen der Stäbe 66 und 70 (die in einer Ebene parallel zu derjenigen liegen, die durch die Achsen 126 und 128 definiert wird) nach oben, während sich die Stäbe 66 und 70 in Richtung der Mittelachse 28 ausdehnen. (Es wid daran erinnert, daß die unteren Enden der Stäbe 66 bis 72 auf dem Fuß 64 gehalten sind und dementsprechend eine Längsbewegung nicht ausführen können.) Beim Öffnen des Schalters 42 und die hierdurch erfolgte Entregung der Spulen 86 und 90 kehren die Stäbe 66 und 70 in ihre Normallänge zurück. Dementsprechend werden durch die Verän<!orung der Stärke des angelegten elektrischen Feldes, wie beispielsweise durch ein rasches Öffnen und Schließen des Schalters 42, die oberen Flächen der Stäbe 66 und 70 in Phase mit der gleichen Frequenz oszillieren, wodurch zwei akustische Wellen erzeugt werden, die sich vertikal nach oben in Richtung auf den Reflektor 76 entlang der Achsen der Stäbe 66 und 70 in Richtung der Mittelachse 28 fortpflanzen.
In einer ähnlichen Weise werden, da die Stäbe 68 und 72 eine Dehnungskonstante mit entgegengesetztem Vorzeichen gegenüber derjenigen der Stäbe 66 und 70 besitzen, auf eine gleichzeitige Erregung ihrer entsprechenden Spulen 88 und 92 mit denjenigen der Stäbe 66 und 70 die oberen Kreisflächen der Stäbe 68 und 72 in Richtung der Mittelachse 28 in Phase miteinander bei der gleichen Frequenz oszillieren, jedoch um 1800 außer Phase mit denjenigen der.Stäbe 66 und 70. Dies führt zu der Erzeugung zweier zusätzlicher akustischer Wellen, die ebenfalls sich vertikal nach oben in Richtung auf den Reflektor 76 fortpflanzen, wie dies zuvor beschrieben worden ist, jedoch außer Phase hiermit.
Da der Absolutwert der Dehnungskonstante für 2V Permendur größer ist als derjenige von Nickel bei einer gegebenen magnetischen Feldstärke, würde die Amplitude der Vibration der Stäbe 66 und 70 größer sein als diejenige der Stäbe 68 und 72. Dementsprechend kann bei der soeben beschriebenen Ausführungsform gemäß Fig. 5 die Anzahl von Wicklungen der Spulen 86 und 90 geringer sein als diejenige der Spulen 88 und 92, um Vibrationen mit angenähert der gleichen Amplitude zu erzeugen, was erstrebenswert ist für die Quelle 26, um eine Quadrupolwelle in die Formation 10 einzuleiten.
Bei verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen besitzen einige der Stäbe, die für den Aufbau der Quelle gemaß der Erfindng eingesetzt werden, eine erste Dehnungskonstante und andere besitzen eine zweite Dehnungskonstante, deren Absolutwert sich von demjenigen der ersten Dehnungskonstante unterscheidet. So ist beispielsweise der Absolutwert der Dehnungskonstanten von Nickel etwa halb so groß wie derjenige von 2V Permendur. Bei diesen Ausführungsformen können die effektiven Dehnungskonstanten der eingesetzten Stabmaterialien in Ubereinstimmung gebracht werden, indem man die Stäbe mit der absolut größeren Dehnungskonstanten mit einem elektrisch leitenden Metallelement umhüllt (wobei es sich um einen Draht handeln kann), so daß das Metallelement mit einer Umhüllung versehen ist, zwischen jedem solchen Stab und der entsprechenden umgebenden Erregerspule, die das Magnetfeld an dem Stab erzeugt. Diese Umhüllung schirmt teilweise den Stab von dem Magnetfeld ab, wodurch die effektive Dehnungskonstante des umhüllten Stabes reduziert wird. Wenn beispielsweise eine Quelle mit einigen Mittelstäben und einigen 2V Permendur-Stäben versehen ist, so wird eine Umhüllung eines jeden 2V Permendur-Stabes mit einem dünnen Aluminiumdraht erreichen, daß die Dehnungskonstanten der Stäbe in wünschenswerter Weise übereinstimmen.
In den Fig. 6A und 6B ist eine perspektivische und eine ebene Ansicht des akustischen Reflektors 76 innerhalb der Meßsonde 26 der Fig. 2 gezeigt. Im einzelnen bildet der Reflektor 76 eine umgekehrte Pyramide, die abgestumpft ist durch eine Oberfläche im Bereich der Aussparung 108. Noch weiter ins einzelne gehend werden durch die Pyramide vier Reflektionsflächen 134, 136, 138 und 140 definiert.
Aus der Orientierung der Flächen 134 bis 140, relativ zu den Achsen 126 und 128 und der koaxialen Ausrichtung des Reflektors 76 entlang der Mittelachse 28, ergibt sich, daß jeder Stab 66 bis 72,angrenzend an und uSerhalbjeweils einer der Flächen 134 bis 140, angeordnet ist, wobei die Längsachse eines jeden Stabes die jeweilige Fläche schneidet.
Der Zweck einer solchen Ausrichtung ergibt sich aus dem Pfeil 135, der eine akustische Welle repräsentiert, die von einem der soeben beschriebenen Stäbe 66 bis 72 erzeugt wurde und die in Längsrichtung aufwärts in der Richtung der Mittelachse 28 und entlang der Achse des jeweiligen Stabes guf den Reflektor 76 zu verläuft. Nachdem sie auf den Reflektor 76 auftrifft, wird die Welle als Welle 30 bei einem Winkel e 34, relativ zur Ebene, die die horizontale Bezugslinie 32 einschließt und senkrecht zur Mittelachse 28 verläuft, reflektiert.
Auf diese Weise werden durch die entsprechend geformten Flächen 134 bis 140 vertikal sich fortpflanzende akustische Druckwellen, die durch die Stäbe 66 bis 72 erzeugt wurden, in einer Richtung im allgemeinen senkrecht zur Mittelachse 28 reflektiert, so daß die Hauptkeulen der akustischen Wellenenergie, die von dem Reflektor 76 reflektiert wird, aus dem Quellenabschnitt 18 (durch die Gruppe von Fenstern 27) heraus und in die Formation 10 hineinlaufen, im wesentlichen in den vier Richtungen, die durch die Achsen 126 und 128 angegeben sind.
Der Reflektor 76 besteht vorzugsweise aus einem wirkungsvollen akustischen Reflektormaterial, wie Aluminium oder Stahl, um die Übertragung der Energie von dem Reflektor auf die Formation zu maximieren. Es wurde außerdem herausgefunden, daß es erstrebenswert ist, daß die reflektierten Wellenkeulen nicht genau in einem Winkel senkrecht zur Mittelachse 28 reflektiert werden sollten, sondern etwas versetzt, und zwar vorzugsweise in einem Bereich von etwa 200 bis etwa 450, in bezug auf die Ebene senkrecht zur Mittelachse 28, um die Umsetzung (in einer in den nachfolgend bei den Absätzen noch zu beschreibenden Weise) der hierdurch in dem Bohrlochfluid 14 gebildeten Druckwellen zu verstärken, um die gewünschten Quadrupolschubwellen in der Formation 10 zu -erzeugen. Dies kann natürlich erreicht werden durch die Einstellung des Neigungswinkels der Flächen 134 bis 140, relativ zur Mittelachse 28, die Einstellung der Ausrichtung der Achsen der Stäbe 66 bis 72, relativ zu den Flächen 134 bis 140, oder durch beide Maßnahmen.
Es ist noch anzuführen, daß an der Zwischenfläche zwischen dem Bothlochfluid 14 und der Formation 10 nicht nur ein Teil der Druckwellenenergie, die sich in dem Bohrlochfluid 14 von der Quelle 26 weg fortpflanzt, in akustische Schubwellenenergie umgesetzt wird, die ebenfalls in die Formation 10 hineinläuft, sondern daß ein anderer Teil dieser Druckwellenenergie in dem Fluid 14 umgesetzt wird in eine akustische Kompressionswellenenergie, die sich in der Formation 10 fortpflanzt. Die in die Formation 10 eingeleiteten Schubwellen interferieren zur Erzeugung einer Quadrupolschubwelle in der Formation 10. In einer ähnlichen Weise interferieren die in die Formation 10 eingeleiteten Kompressionswellen und erzeugen eine Quadrupolkompressionswelle in der Formation 10.
Das Verhältnis der Quadrupolschubwellenenergie zur Quadrupolkompressionswellenenergie,erzeugt durch die Quelle 26 in der Formation 10,hängt ab von dem vorerwähnten Winkel, unter welchem die Druckwellen in dem Fluid 14 geneigt sind, an der Zwischenfläche zwischen dem Fluid 14 und der Formation 10, während außerdem eine Abhängigkeit von der Quellenfrequenz besteht.
Zur direkten akustischen Schubwellenaufzeichnung ist es erstrebenswert, die Erzeugung von Schubwellen in der Formation 10, relativ zu der Erzeugung von Kompressionswellen hierin zu Dies kann in der Weise erreicht werden, wie dies in dem Absatz beschrieben wurde, der dem obigen Absatz unmittelar vorangeht.
Im Gegensatz hierzu kann es für eine wirkungsvolle akustische Kompressionswellenvermessung erstrebenswert sein, die Erzeugung von Kompressionswellen in der Formation 10, relativ zur Erzeugung von Schubwellen hierin zu verstärken.
Die Quelle 26 kann, wenn. sie in der gleichen,hier in bezug auf dieQuadrupolschubwellenvermessung beschriebenen Weise betrieben wird, auch für die Durchführung der akustischen Quadrupolkompressionswellenvermessung eingesetzt werden. Die Quadrupolkompressionswellenankunft an den Detektoren tritt ein, bevor die Quadrupolschubwellen an den Detektoren ankommen, so daß die gleichzeitige Erzeugung von Quadrupolschubwellen in der Formation 10 (wobei die Quadrupolkompressionswellen bei der Quadrupolkompressionswellenvermessung von Interesse sind) den Kompressionswellenvermessungsbetrieb nicht behindert. Um wirkungsvoll die akustische Quadrupolkompressionswellenvermessung mit Hilfe der Quelle 26 durchzuführen, ist es erstrebenswert, daß der Neigungswinkel der Flächen 134 bis 140 relativ zur Mittelachse 28 und die Orientierung der Achsen der Stäbe 66 bis 72 relativ zu den Flächen 134 bis 140 derart eingestellt werden, daß die reflektiertGn Wellenkeulen in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse 28 sich fortpflanzen, so daß die Erzeugung von Kompressionswellen in der Formation 10 verstärkt wird, relativ zur Erzeugung von Schubwellen hierin.
Dem Fachmann auf diesem Gebiet leuchtet ein, daß der Dipol, der Oktopol und andere Ausführuqpformen der akustischen Quelle gemäß der Erfindung,die nachfolgend noch beschrieben werden, in einer ähnlichen Weise sowohl für die akustische Multipolschubwellenvermessung als auch für die akustische Kompressionswellenvermessung geeignet sind.
Es ist außerdem festzustellen, daß es erstrebenswert ist, daß die von jeder oberen Fläche dir Stäbe 66 bis 72 nach oben laufenden Wellen von Punkten ausgehen, die so nah wie praktisch möglich, radial nach innen in Richtung auf die Mittelachse 28 liegen.
Dies liegt darin begründet, daß vier, in geringem Abstand voneinander angeordnete Monopolquellen, die für eine Quadrupolquelle erforderlich sind, so nah wie möglich einander angenähert werden sollen, wobei man hierzu den Durchmesser des Kreises 130, auf welchem die Stäbe 66 bis 72 in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet sind, verringert.
Die Fig. 7, @A und BB entsprechen den Fig. 4, 6A bzw, 6B insofern, als sie ähnliche Ansichten einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergeben, Während im besonderen die vorangehande Beschreibung der Erfindung auf einen Quadrupolwellengenerator bzw. eine solche Quelle beschränkt war, sell jedoch die Erfindung nicht so eingeschränkt werden, und es sind auch andere Ausführungsformen in Betracht zu ziehen.
So kann, gemäß den hier genannten Druckschriften, in manchen Anwendungsbereichen eine akustische Dipolwellenquelle, wie in den Fig. 10, 11 und 12 dargestellt, oder eine Quelle höherer Ordnung als iie Quadrupolquelle, wie etwa eine akustische Oktopolquelle, wie in den Fig. 13, 14 und 15 dargestellt, oder auch eine akustisch 16-Polwellenquelle, wie in den Fig. 7, 8A und 8B gezeigt, erstrebenswert sein.
Die Anzahl der Stäbe bei den Ausführungsformen nach der Dipol-, Oktopol- und 16-Polquelle, die nachfolgend noch zu beschreiben wirt, stimmt nicht mit der Nomenklatur der Dipol-, Oktopol- und 16-Polquellen überein. Dementsprechend umfaßt eine Dipol-(n = 1)-quelle zwei mal eins oder zwei Stäbe. Eine Quadrupol-(n = 2)-Quelle umfaßt zwei mal zwei oder vier Stäbe. Eine Oktopoi-(n = 3), eine 16-Pol-(n = 4) bzw. eine 32-Pol-(n=5)-Quelle umfaßt sechs, acht ;7W. Zahl Stäbe. Dementsprechend umfaßt allgemein eine 2n -Polquelle - taue, wobei n eine ganze Zahl ist, d.h., n = 1, 2, 3 s unendlich.
Allgemein sind bei einer 2n -Polquelle gemäß der Erfindung 2n Stäbe (wobei n gleich 1, 2, 3, usw. bis unendlich ist) im wesentlichen gleichmäßig um die Mittelachse einer Meßsonde verteilt. Vorzugsweise sind die Stäbe im wesentlichen gleichmäßig um die Mittelachse angeordnet. Benachbarte Stäbe in bezug auf die Winkelposition um die Mittelachse erzeugen Druckwellen, die im wesentlichen 1800 außer Phase, in bezug aufeinander sind und die ursprünglich in Richtung auf den REflektor laufen, während sie nachfolgend im wesentlichen radial von der Mittelachse aus reflektiert werden.
Bei einer Betrachtung der Fig. 7,in Vergleich mit Fig, 4,wird deutlich, daß,statt nur vier Stäben 66 bis 72, acht Stäbe 158, lGO, 162, 164, 166, 16, 170 und 172 vorgesehen sind (mit entaprechenden, nicht dargestellten Spulen), wie auch acht entsprechende Fenster 142, 144, 146, 148, 150, 152, 154 und 156, radial außerhalb der Stäbe.
In einer ähnlichen Weise wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 6B sind die acht Stäbe 158 bis 172 und die entsprechenden Spulen derart ausgerichtet, daß ihre Mitten gleichmäßig verteilt um den Umfang des Kreises 130 sind, während ihre Achsen parallel zur Mittelachse 28 verlaufen. In ähnlicher Weise wechseln sich die Stäbe ab, mit einem ersten und einem zweiten ferromagnetischen Material beim Durchlaufen des Umfangs des Kreises 130. Schließlich können die Stäbe in einer ähnlichen Weise erregt werden, wie dies funktionell in Fig. 5 dargestellt ist.
Somit leuchtet ein, daß bei der Ausführungsform nach den Fig. 7, 8A und 8B statt der vier Druckwellen, die innerhalb der Sonde 16 nach oben zum Reflektor 76 laufen, nunmehr acht Wellen erzeugt werden. Dementsprechend ist es erforderlich,den Reflektor 76 zu modifizieren, wie in den Fig. 8A und 8B dargestellt, um entsprechende Reflektionsflächen 174, 176, 178, 180, 182, 184, 186 und 188 zu schaffen, die bewirken, daß die Wellen jeweils durch die entsprechenden Fenster 142, 146, 148, 150, 152, 154 und 156 reflektiert werden in acht getrennten bestimmten Richtungen, radial auswärts von der Mittelachse 28.
Die Fig. 10 stellt einen Querschnitt einer akustischen Dipolschubwellenquelle dar, zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der akustischen Quelle 26, gemäß der Erfindung. Statt vier Stäben sind nur zwei Stäbe 258 und 260 vorgesehen (wobei die entsprechenden piralspulen nicht gezeigt sind), wie auch zwei entsprechende Fenster 254 und 256 radial außen von den Stäben 258 bzw. 2601 in einer ähnlichen Weise wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 i 8 ii 1 ti'\ do @täbe 5 und 260 3nd ent@brachende @bülen im wesentlichen um 180° zueinander versetzt auf dem Umfang des Kreises 230 angeordnet, wobei ihre Achsen parallel zur Mittelachse 28 verlaufen. In einer ähnlichen Weise besteht einer der Stäbe 258 und 260 aus einem ersten magnetostriktiven Material mit einer positiven Dehnungskonstanten (wie etwa 2V Permendur), während der andere aus einem zweiten magnetostriktiven Material besteht, mit einer negativen Dehnungskonstanten (wie etwa Nickel). Die Stäbe 258 und 260 werden in einer ähnlichen Weise erregt, wie dies funktion@ll in Fig. 5 dargestellt ist.
Es leuchtet ein, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 zwei Druckwellen (eine um 1800 außer Phase, in bezug auf die andere) erzeugt werden, die zunächst sich innerhalb der Sonde 16 in Richtung auf den Reflektor 278 fortpflanzen. Der Reflektor 278 befindet sich oberhalb der oberen Enden der Stäbe 258 und 260 durch ein Aufschrauben der Gewindeaussparung 208 auf einen mit einem passenden Gewinde versehenen Endteil des Dorns 74.
Der in den Fig. 11 und 12 dargestellte Reflektor 278 ist mit zwei Reflektionsoberflächen 274 und 276 versehen, welche jeweils die von den Stäben 258 und 260 ausgehenden Druckwellen durch die Fenster 254 und 256 nflektieren, so daß die Wellen im wesentlichen radial nnch außen von der Mittelachse 28 auslaufen. Der Reflektor 278 besitzt allgemein die Form eines umgekehrten festen Konus, der abgestumpft ist durch die Oberfläche angrenzend an die Aussparung 208 und mit Reflektionsoberflächen 264 und 266 versehen ist, auf einander gegenüberliegenden Bereichen der allgmein konischen äußeren Oberfläche. Die Achsen der Stäbe 258 und 260 schneiden die Oberflächen 274 bzw. 276, wenn sich der Reflektor 278 in der richtigen Position, relativ zu den Stäben befindet.
Die Fig. 13 zeigt einen Querschnitt durch eine akustische Oktopolschubwelenquelle zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der @kustischen Quelle 26 gemäß der Erfindung:Unter Bezugnahme auf Fig. 13 wird im Vergleich mit Fig. 4 deutlich, daß, stätt lediglich vier Stäben 66-72,sechs Stäbe 358, 360, 362, 364, 366 und 368 vorgesehen sind (mit entsprechenden, nicht dargestellten Spulen), wie auch sechs entsprechende Fenster ;344, 346, 348, 350, 352 und 354, radial nach außen von den Stäben.
In einer ähnlichen Weise wie bei der in den Figuren 1 bis 6B dargestellten Ausführungsform sind die sechs Stäbe 358 bis 368 und er.tsprechende Spulen so orientiert, daß ihre Mitten gleichmäßig auf dem Umfang des Kreises 370 verteilt sind, während ihre Achsen parallel zur Mittelachse 28 verlaufen. In ähnlicher Weise wechseln sich die Stäbe ab zwischen einem ersten und einem zweiten ferromagnetischen Material beim Umlaufen des Umfanges des Kreises 370.
Schließlich können die Stäbe in einer ähnlichen Weise erregt werden wie dies funktionell in Fig. 5 dargestellt ist.
Es leuchtet somit ein, daß bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 14 und 15,statt vier Druckwellen, die in aufwärtiger Richtung innerhalb der Sonde 16 in Richtung auf den Reflektor 76 laufen, nunmehr sechs solcher Wellen erzeugt werden. Dementsprechend ist es erforderlich, einen modifizierten Reflektor 376 zu verwenden, wie dies in den Fig. 14 und 15 dargestellt ist (statt des Reflektor 76 in der Ausführungsform, entsprechend der Darstellung in den Fig. 6A und B), um sechs entsprechende Reflektionsflächen 380, 382, 384, 386, 388 und 390 zur Verfügung zu stellen, die bewirken, daß jede der Wellen aus dem entsprechenden Fenster 344, 346, 348, 350, 352 und 354 reflektiert wird in die Formation 10 hinein in sechs getrennten Richtungen, radial nach außen von der Mittelachse 28.
Im Zusammenhang mit der Erläuterung der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wurde erwähnt, daß gemäß einer anderen Ausführungsform es erstrebenswert sei, zwei Magnete vorzusehen (wie die dort dargestellten Magnete 120 und 122). Diese andere Ausführungsform soll nun eingehender erläutert werden.
Be@ der gegenwärtig diskutierten anderen Ausführungsform der Erfindung können alle Stäbe, wie die Stäbe 66 bis 72 der Fig. 3, aus dem gleichen ferromagnetischen Material bestehen, wobei ein Material mit einer relativ hohen Dehnungskonstanten ausgewählt wird, um relativ hohe Vibrationsamplituden der Stäbe und dementsprechend eine stärker akustische Quelle zu erzeugen.
Ein Problem bei der Verwendung von Stäben aus dem gleichen Material liegt in der Erzielung der oben erwähren angestrebten Außer-Phasen-Beziehung zwischen den erzeugten akustischen Wellen (erzeugt durch jeden Stab und zuvor durch den Einsatz von Stäben mit zwei unterschiedlichen Dehnungskonstanten erreicht). Indem man ein vormagnetisiertes oder vorgespanntes magnetisches Feld an zwei diametral einander gegenüberliegenden Stäben, wie den Stäben 66 und 70, der in Fig. 3 dargestellten vier, anlegt, kann dieser Außer-Phasenroetrieb nichtsdestoweniger noch erreicht werden.
m einzelnen können die Stäbe 66 und 70 beispielsweise vorgespannt .erden durch entsprechende Dauermagnete 120 und 122, die oberhalb in dem Reflektor 76 gehalten sind (alternativ können elektromagnetische Spulen d; Magnete 120 und 122 in solchen Anwendungsbereichen ersetzen, in welchen Dauermagnete ein zu großes Volumen einnehmen).
Diese Stäbe 66 und 70 können entweder stärker belastet werden, oder von dem vorgespannten Zustand entlastet werden als Funktion der Richtung des Magnetfeldes, das durch die entsprechenden Spulen 86 und 90 an die Stäbe 66 und 70 angelegt wird. Während d;s magnetostriktive Material mit einer positiven Dehnungskonstante sich ausdehnt (und magnetostriktives Material mit einer negativen Dehnungskonstante sich zusammenzieht) bei der Magnetisierung,unabhängig vom Vorzeichen (positiv oder negativ) des angelegten Magnetfeldes, steht das Ausmaß einer solchen Bewegung,in Beziehung zur absoluten Größe des angelegten Magnetfeldes.
Somit kann man durch die Änderung der Richtung des Erregerstromes zu (ien Spulen 86 und 90 die Größe des an die Stäbe 66 und 70 angelegten Magnetfeldes ändern auf jeder Seite des vormagnetisierten odzr . vorgespannten Wertes, wodurch die Stäbe 66 und 70 sich in jeder gewünschten Richtung der Mittelachse 28 von einer vorgespannten Position in eine weniger oder mehr gespannte Position bewegen. Dies wiederum gestattet die Erzeugung der gewünschten Außer-Phasen-Bewegung zwischen einander diametral gegenüberliegender Paaren von Stäben 66 bis 70 bzw. 68 biw 72.
In Fig. 9 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im einzelnen zeigt die Fig. 9 ein alternatives Verfahren des Aufbaues der Vibrationsstäbe ureter Einsatz der Ausführungsformen der akustischen Wellenquelle, wie sie in den Fig.
3, 7 oder 10 erläutert ist.
Jeder magnetostriktive Stab mit der zugeordneten Spule, wie der Stab 66 und die Spule 86, gemäß Fig. 3, kann ersetzt werden durch einen piezailektrischen Stab, wie die vier, die in Fig. 9 in einer Explosivdarstellung gezeigt sind.
@eder Stab umfaßt eine Mehrzahl polarisierter Scheiben, wie die Scheiben 1'38, 200, 204 und 206 der Fig. 9, die aus einem geeigneten piezoelektrischen Kristallmaterial hergestellt sind, wie etwa die handelsübliche Ware von der Vernitron Company von Bedford, Ohio, V. St. A. Diese Scheiben werden aneinandergereiht und koaxial ausgerichtet entlang der jeweiligen Achsen 190, 192, 194 und 196. Diese Achsen entsprechen den Längsachsen der voranstehend beschriebenen Stäbe 66 bis 72, die sich parallel zur Mittelachse 28 erstrecken.
Piezoelektrische Kristalle besitzen die Figenschaft, daß sie sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen, entsprechend einem angelegten elektrischen Potential, wobei die Tatsache, ob der Kristall ich ausdehnt oder zusammenzieht, steuerbar ist durch die Richtung des angelegten Potentials und die htung tsr Kristallpolarisation.
Wenn dementsprechend die Kristallscheiben 198 bis 206, entsprechen den dargestellten Pfeilen, polarisiert, aneinandergereiht und verdrahtet sind, leuchtet ein, daß,infolge der Tatsache, daß die Verdrahtung der entlang den Achsen 190 und 194 ausgerichteten Reihen entgegengesetzt ist zu derjenigen der entlang den Achsen 192 und 196 ausgerichteten, bei einer Erregung aller vicr Reihen von der Energiequelle 132 durch Schließung des Schalters 42, so werden zwei einander gegenüberliegende Reihen in Längsrichtung in Richtung der Mittelachse 28 expandieren, während die verbleibenden beiden kontrahieren, um somit die gewünscht Erzeugung zweier Gruppen akustischer Längswellen außer Phase zu erzeugen, wie dies zuvor,unter Bezugnahme auf die in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform, erläutert wurde.
Wie zuvor herausgestellt wurde, ist es aufgrund der Längsverschiebung der Stäbe gemäß der Erfindung und weiterhin aufgrund der relativ größeren Längsdimensionen der Sonde 16 (im Gegensatz zu den Querdimensionerl) für die Aufnahme eines Vibrationselementes möglich, akustische Quellen gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung zu schaffen, die in der Lage sind, extrem energiereiche, akustisrhe Außer-Phasen-Druckwellen in der Sonde 16 zu erzeugen, die ausreichen, um leicht starke Dipol- und Quadrupolschubwellen oder Schubwellen höherer Ordnung in der Formation von Interesse zu erzeugen.
Die gewünschte Frequenz der akustischen Wellen, die erzeugt werden sollen, bestimmt die Wahl einer speziellen Länge der Stäbe 66 bis 72 in einer auf diesem Gebiet hinlänglich bekannten Weise, da die natürliche Frequenz der Stäbe als Funktion ihrer Länge zu dieser gewünschten Frequenz in Beziehung steht. Für die akustische Schubwellenvermessung liegen jedoch die typischen angestrebten Frequenzber@ - che für dia Schwingung der Stabs 66 bis 72 bei der Quadrupolausführungsform, die in Fig.2 dargestellt ist, im Bereich von gerade unterhalb 3 kHt bis etwa 14 kHe, oder sogar noch höher, wobei die Frequenzen von etwa 3 kflz oft typischerweise eingesetzt werden für die direkte Schubwellenvermessung relativ "weicher" Formationen und etwa 6kHz oder höher für die direkte Schubwellenvermessung von "harten" Formationen.
Aufgrund der Stärke der akustischen Wellen, die mit der Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden können, wurde herausgefinden, daß die erste Harmonische der Nennoszillationsfrequenz er Stäbe (wobei die erste Harmonische auch in den Schwingungen vorhanden ist) eine ausreichende Größe besitzt, so daß die Quelle 26 sowohl für weiche als auch für harte Formationen bei der gleichen Frequenz betrieben werden kann.
Darüber hinaus kann,ebenfalls aufgrund der Stärke der vorliegenden Quelle, eine Bohrloch-zu-Bohrloch-Vermessung sogar erzielt werden, wobei die Formation in einem Bohrloch akustisch erregt wird und die akustischen Signale an einem benachbarten Bohrloch aufgenommen werden.
D<a es sich hier um oszillierende, magnetostriktive Stäbe handelt, die durch Magnetfelder erregt werden, ist eine relativ geringe Energiezufuhr von niedriger Spannung erforderlich, um die jeweiligen Spulen zu erregen. Dies ist ein besonderer Vorteil gegenüber herkömmlichen piezoelektrischen Vibrationselementen, die charakteristischerweise eine höher Spannungszufuhr erfordern, wobei sich Geräuschprobleme und ähnliches einstellt. Wenn jedoch die "aneinandergereihte Anordnung" von Stäben aus piezoelektrischen Scheiben anstelle der magnetostriktiven Stäbe eingesetzt werden, wie im Fall der anderen Ausführungsform gemäß Fig. 9, so können diese Probleme durch einen sorgfältigen Aufbau vermindert werden.
Es leuchtes ein, daß die Betriebsprinsipien der Sonde 26 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie hier beschrieben ist, mit @elativ kleinen Auderungen so umgestaltet werden kann, daß akustische Wellen-fletektoren entstehen, wobei derartige Detektoren tlementsp)rechend im besonderen in den Rahmen der vorliegenden Erwindung fallen.
leuchtet beispielsweise unter Bezugnahme auf Fig. 2 ein, daß dann, wenn die dargestellte Quelle als Detektor eingesetzt wird, die akustischen Wellen von der zu untersuchenden Formation entgengesetzt laufen, wie die erzeugten Wellen, wenn die Einrichtung als Quelle betrieben wird. Im besonderen treten die akustischen Wellen durch die Fenster 79, 81 usw. ein und werden nach unten von dem Reflektor 76 auf die Stäbe 66 bis 72 reflektiert.
Diese auf die Stäbe 66 bis 72 auftreffende Energie ruft Vibrationen hierin hervor, die eingesetzt werden können, um ein meßbares Signalpotentialniveau in den Spulen 86 bis 92 zu induzieren, die funktionell mit den akustischen Wellen in Beziehung stehen.
Nach allem leuchtet ein, daß durch die vorliegende Erfindung die eingangs gesteckten Ziele erreicht worden sind. Es ist außerdem herauszustellen, daß auch verschiedene Ausführungsformen im Rahmen drr erfindung miteinander kombiniert werden können. Darüber hinaus soll noch einmal ausdrücklich angeführt werden, daß die vorliegende Beschreibung lediglich eine solche beispielhaften Charakters ist und verschiedene Änderungen der Größe, der Form und der Materialzusammensetzung,der Bestandteil, wie auch Änderungen der Detail: des Aufbaues noch in den Rahmen der F indung fallen.
- L e e r s e i t e -

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur akustischen Bohrlochvermessung Patentansprüche: 1. Verfahren zur Erzeugung einer akustischen Multipolwelle in einer unterirdischen Formation, die von einem Bohrloch durchdrungen ist, in welchem eine eine Längsachse umfassende Sonde angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß man gleichzeitig eine gerade Zahl und nicht weniger als zwei akustische Wellen erzeugt, die von einer entsprechenden Anzahl von vorbestimteh Stellen ausgehen, die in einem Radialabstand nach außen von der Längsachse angeordnet sind, wobei die Wellen sich zunächst entlang entsprechenden Wellenachsen fortpflanzen, in einer Richtung im wesentlichen parallele zur Mittelachse und die Wellen im wesentlichen radial nach außen von der Mittelachse in die Formation reflektiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß sich die Wellen zunächst innerhalb der Sonde fortpflanzen und danach von der Sonde radial nach außen reflektiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Wellenachsen im wesentlichen einen gleichen Abstand von der Mittelachse besitzen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Linien von jeder Wellenachse zur Mittelachse, die in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse liegen und die Mittelachse schneiden, und die Wellenachsen eine Mehrzahl gleicher Winkel oU einschließen, wobei die Anzahl der Wellenachsen gleich 2N und o(, gleich 3600/2N ist, während N eine ganze Zahl und nicht kleiner als 1 ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß eine erste der Wellen, die entlang einer entsprechenden ersten Achse verläuft, im wesentlichen außer Phase ist mit jeweils einer zweiten der Wellen, die in Richtung einer entsprechenden zweiten Achse verläuft, wobei die erste Wellenachse und die zweite Wellenachse einen Winkel α in bezug auf die Mittelachse einschließen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die reflektierten Wellen Wellenkeulen umfassen, die in einem Winkel 8 von der Ebene senkrecht zur Mittelachse reflektiert sind, wobei e größer als 0 ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß N gleich 2 ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Richtung der radial nach außen reflektierten Wellen, wenn sie auf eine Ebene senkrecht zur Mittelachse projeziert werden, eine Mehrzahl von Winkeln α definieren, wobei die erzeugten Druckwellen eine derartige Amplitude und Frequenz aufweisen, daß die reflektierten Wellen miteinander interferieren und eine akustische Multipolschubwelle in der Formation erzeugen.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vOr8ngehenden Anspr(i'ch, wobei stich innerhalb des die Formation durchdringenden Bohrlqchs eine eine MittB hse umfassende Sonde befindet, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen akustischen Wellengenerator (26) zur gleichzeitigen Erzeugung einer graden Zahl, und zwar nicht weniger als 2, von akustischen Druckwellen, die von einer entsprechenden Anzahl bestimmter Stellen ausgehen, die in einem Radialabstand von der Mittelachse (28) liegen, wobei die Wellen sich entlang der jeweiligen Wellenachse in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Mittelachse (28) fortpflanzen, und einen akustischen Reflektor (76) zur Reflektion der Wellen im wesentlichen in einer Richtung von der Mittelachse (28) radial nach außen in die Formation (10).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Achsen im wesentlichen den gleichen Abstand von der Mittelachse (28) besitzen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n -z e 1 c h n e t , daß Linien von jeder Wellenachse zur Mittelachse (28), die in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse (28) liegen und diese schneiden, eine Mehrzahl gleicher Winkel dU definieren, wobei die Anzahl der Wellenachse 2N und oD gleich 3600/2N ist, während N eine ganze Zahl, nicht kleiner als 1, ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a dur c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Generator eine Mehrzahl von Stäben (66, 68, 70, 72) umfaßt, die in Längsrichtung jeweils koaxial zu jeweils einer Wellenachse angeordnet sind, zur Erzeugung von Vibrationen in Richtung der Wellenachse.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß jeweils ein erster der Stäbe mit einer entsprechenden ersten Wellenachse in der Lage ist, im wesentlichen außer Phase zu vibrieren, in bezug auf jeweils einen zweiten der Stäbe, mit einer entsprechenden zweiten Wellenachse, wdei die erste Wellenachse und die zweite Wellenachse in bezug auf die Mittelachse einen Winkel cc. einschließen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Stabanordnung aus einem magnetostriktiven Material mit einer Dehnungskonstante besteht, die in Richtung der entsprechenden Wellenachse in Vibration versetzbar ist, wenn ein sich änderndes Magnetfeld in dieser Richtung vorliegt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n -z e i e h n et , daß jeweils der nächste der Mehrzahl von Stäben und jeder der Mehrzahl von Stäben, deren Wellenachse um einen Winkel von 2nV in bezug auf die Mittelachse getrennt von der Wellenachse ist, die dem nächsten der Mehrzahl von Stäbe entspricht, aus einem ersten magnetostriktiven Material mit einer ersten Dehnungskonstanten besteht, während jeder andere der Mehrzahl von Stäben aus einem zweiten magnetostriktiven Material mit einer zweiten Dehnungskonstanten, die sich von der ersten unterscheidet, besteht, wobei n eine positive ganze Zahl ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das erste magnetostriktive Material Nickel und das zweite magnetostriktive Material 2V Permendur ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Absolutwert der ersten Dehnungskonstanten größer ist als derjenige der zweiten Dehnungskonstanten, während ein elektrisch leitendes Metallelement um jeden der Stäbe gelegt ist, bestehend aus einem Material mit der ersten Dehnungskonstanten, so daß der Absolutwert der effektiven Dehnungskonstanten eines jeden umhüllten Stabes auf einen Wert herabgesetzt ist, der kleiner ist als der Absolutwert der ersten Dehnungskonstanten.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß jeder der Mehrzahl der Stäbe im wesentlichen die gleiche Dehnungskonstante aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß außerdem eine Vorspanneinrichtung vorgesehen ist, zur Bildung eines konstanten ausgewählten Magnetfeldes, angrenzend an vorbestimmte der Anzahl von Stäben.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Vorspanneinrichtung ein Magnet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Vorspanneinrichtung eine elektromagnetische Spule ist.
22. Vorrichztung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß jeder der Stäbe aus einem piezoelektrischen Material besteht, das in Richtung der entsprechenden Wellenachse vibriert, wenn es durch ein sich änderndes elektrisches Potential erregt wird.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, d a dur c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß jeder der Stäbe aus einer Mehrzahl von Scheiben (198, 200, 204, 206) aus dem piezoelektrischen Material besteht, die in Längsrichtung der entsprechenden Wellenachse aneinandergereiht sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die akustische Reflektoranordnung (76) für jede der einzelnen Wellen eine akustische Reflektorfläche (134, 136, 138, 140) umfaßt, die in unterschiedliche, im wesentlichen von der Mittelachse (28) radial nach außen gerichtet sind, zur Reflektion der einzelnen Wellen in jeweils einer im wesentlichen radial nach außen gewandten Richtung.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die akustische Reflektoranordnung eine umgekehrte Pyramide in koaxialer Ausrichtung mit der Mittelachse umfaßt, wobei die Pyramide Flächen aufweist, die jeweils einer der Richtungsflächen entsprechen, wobei jeweils eine Fläche oberhalb eines entsprechenden Stabes angeordnet ist, und von einer Mittelachse durchschnitten wird, die dem jeweiligen Stab entspricht.
26. Vorrichtung nach Anspruch 23, d a durch g e k e n n -z e i c h n e t , daß jede der Flächen derart orientiert ist, daß sie eine Welle in einem Winkel e von einer Ebene senkrecht zur Mittelachse reflektiert, wobei 8 größer als 0 ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 24, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Anzahl der Stäbe 2N ist und die Anzahl der Richtungsflächen gleich 2N ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß N gleich 2 ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 13, d a du r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Vibrationen eine solche Amplitude und Frequenz besitzen, daß die reflektierten Wellen in der Lage sind, miteinander zu interferieren und eine akustische Multipolwelle in der Formation zu erzeugen.