DE3881017T2

DE3881017T2 - Seismischer rotierender generator fuer anwendung in einem bohrloch.

Info

Publication number: DE3881017T2
Application number: DE8888310669T
Authority: DE
Inventors: Jack H Cole
Original assignee: Conoco Inc
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1988-01-19
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1993-08-19
Anticipated expiration: 2008-11-12
Also published as: NO172461B; EP0325029B1; EP0325029A2; EP0325029A3; CN1034435A; CN1011348B; NO884737D0; CA1325470C; US4874061A; NO172461C; JPH01301190A; DE3881017D1; NO884737L

Description

Die Erfindung betrifft allgeinein seismische Generatoren für Bohrlöcher und betrifft insbesondere, jedoch keineswegs einschränkend, einen verbesserten Typ eines Uinlauf-Vibrationsgenerators zum Erzeugen sowohl von Scherwellen- als auch Druckwellenenergie zur Übertragung in eine Bohrlochwand.
Es sind eine Anzahl unterschiedlicher Bohrlochgeneratoren bekannt, wie sie in unterschiedlichen Typen von Sende/Einpfangs-Aufzeichnungssysteinen verwendet werden. Es wurden viele verschiedene Typen Generatormechanisinen verwendet, um akustische Energie in eine Bohrlochwand einzuführen und nachfolgend die Geschwindigkeit und/oder die Phase der erhaltenen Energie zu analysieren, um bestimmte lithologische Informationen zu erhalten. Derzeit sind von verschiedenen Unternehmen Bestrebungen im Gange, geeignete Bohrlochgenera toren zum Erzeugen von Scherwellen und/oder Druckwellen zu entwickeln, welche in der Lage sind, eine signifikant größere Energieeingangsleistung mit höheren Signalrauschverhältnissen zu erzeugen, um neue Wege zum Erhalt seismischer Daten herauszufinden. Somit nehmen die gegenwärtigen Bemühungen verschiedene Formen und nutzen unterschiedliche Mechanismen bei den Versuchen, durch die Bohrlochwand oder in einigen Fällen die Bohrlochauskleidung ein sauberes, knappes seismisches Energieeingangssignal anzulegen, mit der Absicht, daß die Entwicklung solcher Generatoren in der Tat neue Möglichkeiten zum Erhalt und zur Interpretation seismischer Daten öffnet.
Aus dein US-Patent US-A-4103756 ist ein seismischer Bohrlochgenerator bekannt, der Längs- und Scherwellen erzeugt. Aus dem US-Patent US-A-4207961 ist ein Erregungsverfahren für eine Aufzeichnung unter Verwendung eines in einem Bohrloch angeordneten S-Wellengenerators bekannt.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Typ einer Bohrlochvibrationsvorrichtung und Verwendung einer Reaktionsmasse und eines Bewegungsgenerators, um seismische Energiewellen von Druck- und/oder Scherwellen in eine Bohrlochwand zu übertragen, und es wird Energie mit ausreichender Kraft und definitiver Wellenform erzeugt, um so ausgedehntere Formen seismischer Energieerfassung zu ermöglichen. Grundlegend verwendet die vorliegende Erfindung das Sondengehäuse von im wesentlichen zylindrischer Gestalt als Generatorreaktionsmasse, während es eine interaktive Drehscheibe o.dgl. auf nimmt, um durch das übertragende Bohrlochfluid in die Bohrlochwand eine querlaufende Umlaufbewegung einzubringen. Die Erfindung beabsichtigt eine Anzahl unterschiedlicher Typen von grundlegender Umlaufbewegungserzeugern einschließlich einer motorgetriebenen exzentrischen Scheibe, einer piezoelektrischen Verdrängers und eines elektromagnetischen Verdrängers, sowie verschiedene Steuerungen und Sicherheitsmaßnahmen.
Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Umlaufgenerator für ein Bohrloch aufzuzeigen, das zum Erhalt umgekehrter vertikaler seismischer Profile (VSP), Bohrlochaufzeichnungsmaßnahmen, seismischen Querlochschnitten und diesbezüglichen Datenerfassungen dient.
Gemäß einem Aspekt zeigt die Erfindung einen seismischen Bohrlochgenerator zum gleichzeitigen Erzeugen seismischer Umlauf-Scherwellenenergie und seismischer Druckwellenenergie in eine Wand eines fluid-gefüllten Bohrlochs, umfassend:
ein langgestrecktes Rahmenmittel mit einer Mittelachse und einer an einer Stelle längs der Bohrlochwand abstützbaren Außenwand; und
ein in dem Rahmenmittel angeordnetes Antriebsmittel, das zum Anlegen einer Umlaufbewegung an wenigstens einem Abschnitt der Außenwand des Rahmeninittels erregbar ist, um hierdurch in der Bohrlochwand eine Umlaufscherwelle zu erzeugen.
Die Erfindung kann somit einen Bohrlochvibrator aufzeigen, der gleichzeitig sowohl Scherwellen als auch Druckwellen mit hohem Signalrauschverhältnissen erzeugen kann.
Wenigstens in bevorzugten Formen sieht die Erfindung einen Bohrlochvibrator vor, der leicht betätigt werden kann, um Energie durch die Bohrlochfluide in die umgebende Formation zu übertragen, und zwar bei sowohl ausgekleideten als auch nicht ausgekleideten Bohrlöchern.
Zur zeitversetzten Umlauffortpflanzung können elliptisch polarisierte seismische Scherwellen in die Wand eines fluidgefüllten Bohrlochs übertragen werden.
Der bevorzugte Bohrlochvibrator erfordert keine azimutale Orientierung; d.h., daß seine seismische Ausgangsleistung in alle radialen Richtungen die gleiche sein kann.
Nachfolgend werden einige Ausführungen der Erfindung nur beispielshalber unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben:
Fig. 1A zeigt eine idealisierte Darstellung eines Bohrlochabschnitts, der einen Uinlaufgenerator und eine isolierte Erfassungssonde enthält, teilweise aufgeschnitten dargestellt;
Fig. 1B zeigt einen Schnitt entlang Linie 1B-1B in Fig. 1A;
Fig. 2 zeigt eine Darstellung der Energiefortpflanzung von einem Umlaufgenerator bohrlochaufwärts zur Erdoberfläche;
Fig. 3A zeigt einen vertikalen Querschnitt des oberen Abschnitts einer anderen Form des seismischen Umlaufgenerators;
Fig. 3B zeigt einen vertikalen Querschnitt des unteren Abschnitts des seismischen Umlaufgenerators nach Fig. 3A;
Fig. 3C zeigt einen Querschnitt entlang Linie 3C-3C in Fig. 3B;
Fig. 4A zeigt einen vertikalen Querschnitt eines Abschnitts eines Bohrlochgenerators, in dem die primäre Krafterzeugung durch Elektromagnete bewirkt wird;
Fig. 4B zeigt einen Schnitt entlang Linie 4B-4B in Fig. 4A; und
Fig. 5 zeigt einen vertikalen Querschnitt entlang eines Abschnitts eines seismischen Bohrlochgenerators, in dem die primäre Krafterzeugung auf piezoelektrischer Wirkung beruht.
Fig. 1A und 1B zeigen einen Typ eines seismischen Umlaufgenerators 10, der in ein Bohrlochfluid 14 enthaltendes Bohrloch 12 gehängt ist. Der Generator 10 ist mittels eines Kabels 16 und eines geeigneten Isolators (nicht gezeigt) aufgehängt, der jede interaktive Vibration relativ zu einer Empfängersonde 18 dämpft. Die gesamte Sondenkette aus einer oder mehreren Empfängersonden 18, der Isolationsstruktur und dem seismischen Generator 10 wird dann mittels einem oberflächengesteuerten Loggerkabel 20 bohrlochabwärts in das Bohrlochfluid 14 geführt.
Die Empfängersonde 18 besteht aus einem rohrförmigen Rahmen 22, der einen oder mehrere vibrationsmäßig isolierte Empfänger seismischer Energie 24a bis 24n aufnimmt, die in Energie koppelnder Beziehung zu dem Bohrlochfluid 14 angebracht sind. Es können verschiedene Empfängerschemata verwendet werden, und zwar in Abhängigkeit von der Information, die aus der im Bohrloch erzeugten Energie gesucht wird. Bei anderen Anwendungen kann die Einpfängersonde 18 weggelassen und der Generator 10 zum Erzeugen von Druckwellen und Umlaufscherwellen im Bohrloch angeordnet werden, wobei eine zur ausgewählten vertikalen seismischen Profilierung (VSP) ausgerichtete Oberflächenempfängeranordnung verwendet wird. Bei noch anderen Anwendungen kann die Empfängersonde 18 weggelassen werden, wobei der Generator 10 zum Erzeugen seismischer Scherund Druckwellen in dem Bohrloch angeordnet ist, wobei in einem oder mehreren separaten Bohrlöchern in der Nähe des Bohrlochs 12 seismische Energiedetektoren für seismische bildgebende Querlochaktivitäten angeordnet sind.
Der Generator 10 besteht aus einem Rahmen 26, der zur Aufnahme einer beträchtlichen Masse im oberen Abschnitt 28 und im unteren Abschnitt 30 gebildet ist. Der Rahmen 26 bildet die Isoliermasse für die Generatorreaktion, und die oberen und unteren Rahmenmassenteile 28 und 30 werden mittels Tragkäfigen 32 und 33 in fester Ausrichtung gehalten. Der innere Tragkäf ig 32 kann durch eine Mehrzahl in Umfangsrichtung aufgereihter Verbindungsstangen gebildet sein, die zur Bildung einer Zylinderkammer 34 zwischen den Massenteilen 28 und 30 gesichert sind.
Ein A-C oder D-C Motor 36 mit einem eingebauten Rückkopplungscodierer ist in dem oberen Rahmenmassenteil 28 gesichert, so daß er durch eine flexible Kupplung 38 eine Antriebswelle 40 drehend antreibt. Die Antriebswelle 40 trägt eine exzentrische Scheibe 42, so daß sich diese dreht, wenn die Welle 40 in oberen und unteren Lagerteilen 44 und 46 dreht. Die Scheibe 42 ist an der Antriebswelle 40 exzentrisch angebracht, wie auch in Fig. 1B gezeigt, jedoch ist sie relativ zur Antriebswelle 40 dynamisch ausgewuchtet, so daß sie bei Drehung in Luft vibrationsfrei dreht. Somit und bezüglich Fig. 1B überstreicht die drehende exzentrische Scheibe 42 einen durch die strichpunktierte Linie 48 angezeigten kreisförmigen Weg, was eine Kreisbewegung der Fluiddruckerhöhung an dem Punkt des größten Radius 50 der exzentrischen Scheibe 42 zur Folge hat. Somit dreht sich die exzentrische Scheibe 42 und überstreicht im Umlauf um die Mittellinie oder Achse der Motorwelle 40 eine Mantelfläche, wobei sich ein Druckanstieg an der Stelle des Radiuspunkts 50 und um 180º der Scheibe 42 herum ein Druckabfall ergeben.
Der innere Tragkäfig besteht aus Stangenteilen 32 und verbindet fest die oberen und unteren Reaktionsmassenrahmen 28 und 30 und eine Manschette aus einer elastomeren Membran 52 ist in Umfangsrichtung befestigt, um die Außenseite des Tragkäfigs zu schützen und die mit hochgefiltertem Öl geringer Viskosität gefüllte Kammer 34 einzuschließen. Ein nicht gezeigtes Druckausgleichssystem gleicht den Druck über die Membrane automatisch aus, wenn die Sonde vertikal in dem Bohrloch verfahren wird. Die elastomere Membrane 52 kann mittels geeigneter Ringklemmen o.dgl. um die oberen und unteren Rahmenmassenteile 28 und 30 herum abgedichtet befestigt sein. Der aus den Stangenteilen 33 bestehende äußere Tragkäf ig verhindert, daß die elastomere Membran 52 mit der Bohrlochseitenwand in Kontakt tritt, und verbindet weiter fest die oberen und unteren Reaktionsmassenrahmen 28 und 30. Gegebenenfalls können nicht gezeigte herkömmliche Bohrlochzentralisierer verwendet werden, um die Generator und/oder Empfängersonden in dem Bohrloch zentriert zu halten und um zu verhindern, daß sich die Sonde bei Betrieb dreht.
Wenn sich die exzentrische Scheibe 42 dreht, treibt der Punkt mit maximalen Radius 50 Öl gegen die Membrane 52 nach außen, wodurch auf die Innenseite der Membran 52 ein lokalisierter Druckanstieg wirkt. Gleichzeitig wird der Druck in einem um 180ºC versetzten Bereich verringert, wenn die Scheibe 42 sich zu einem von diesem Bereich entfernten Maximum bewegt. Die Außenseite der Membran 52 wird dann in dem Bereich nach außen verlagert, der dem Punkt mit maximalem Radius 50 der Scheibe 42 am nächsten ist, bei gleichzeitiger Einwärtsverlagerung auf der gegenüberliegenden Seite der Scheibe 42. Somit dient die Außenseite der Membran 52 als eine drehende Dipol-Scherwellen-Störung, die durch das Bohrlochfluid in die Bohrlochwand 42 umlaufend übertragen wird.
Fig. 2 zeigt in idealisierter Form die Art und Weise, in der umlaufende Scherwellenenergie entlang eines Bohrlochs von einer ausgewählten unteren Bohrlochposition nach oben fortschreiten kann. Demgemäß wird eine Umlaufscherwelle, wenn sie kontinuierlich an irgendeinem Punkt unten im Bohrloch 12 erzeugt wird, als eine elliptisch polarisierte Scherwelle entlang dem drehenden oder schraubenförmigen Fortpflanzungsweg 54 nach oben fortschreiten. Somit wird Energie entlang einem Strahlenweg 56 oder der Achse des Bohrlochs 12 fortgepf lanzt. Wenn die Partikelbewegung mit der Erdpartikelbewegung kontinuierlich in einer Ebene orthogonal zum Strahlenweg 56 fortschreitet, dreht sich der die Partikelbewegung repräsentierende Vektor 58 um ihn herum. Der Verdrängungsvektor 58 überstreicht beim Fortschreiten nach oben eine Schraube, und der Vektor kann in Abhängigkeit von der elliptischen Funktion des Erzeugungsschemas zwischen größeren und kleineren Achsen variieren. In den meisten Fällen des Drehscheibengenerators wird die elliptische Scherwellenpolarisierung den kreisförmigen oder speziellen Fall annehmen. Der Drehsinn der Schraube kann durch Umkehr der Generatordrehrichtung leicht umgekehrt werden. Solche elliptisch polarisierte Scherwellen sind insbesondere als Gegenstand der anhängigen europäischen Patentanmeldung EP-A-0256625 mit dem Titel "Method of Seismic Expolartion Using Elliptically Polarized Shear Waves" bekannt. Während Fig. 2 einen aufwärts verlaufenden Schraubenfortpflanzungsweg darstellt, sollte man erkennen, daß auch ein abwärtslaufender schraubenförmiger Fortpflanzungsweg möglich ist, und vom Generatorzentrum wird ein solcher Weg ein Spiegelbild des in Fig. 2 dargestellten Wegs.
Fig. 2 zeigt nur die Fortpflanzungsform um einen Strahlweg koaxial zum Bohrloch. Wenn das Umlaufeingangssignal von dem Generator kreisförmig ist, wird die Fortpflanzung um irgendeinen von der Bohrlochachse geneigten Strahlenweg entlang einer elliptischen Schraube verlaufen, wobei die kleinere Achse der Ellipse auf 0 schrumpft, wenn der Strahlenweg die zur Bohrlochachse normale Ebene erreicht. D.h., daß nur eben polarisierte Scherwellen in einer Ebene erzeugt werden, die durch das Zentrum des Generators und normal zu der Bohrlochachse verläuft.
Es wird angemerkt, daß der umlaufende Bohrlochgenerator auch seismische Druckwellen erzeugt. Es ist gut bekannt, daß ein horizontaler Dipolgenerator Druckwellen in zwei Strahlungskeulen erzeugt, die um die Horizontalachse, entlang der die Generatorbewegung stattfindet, symmetrisch sind. Wie zuvor angemerkt ist der umlaufende Bohrlochgenerator wirkungsmäßig ein rotierender Dipol; somit wird er Druckwellen in allen radialen Richtungen um die Vertikalachse des Bohrlochs erzeugen. Solche Wellen werden durch direkte Wirkung des rotierenden Drucks gegen die Seitenwand des Bohrlochs erzeugt. Weiter zeigt der experimentelle Nachweis, daß die Scherwirkung gleichzeitig Druckwellen erzeugt, die um alle um 45º relativ zur Mittellinie des Bohrlochs geneigten Strahlenwege zentriert sind. Somit ist der umlaufende Bohrlochvibrator ein wirksamer Universalbohrlochgenerator.
Fig. 3A bis 3C zeigen eine alternative Form eines umlaufenden Scherwellenvibrators, der das Drehkonzept einer nicht ausgewuchteten Masse innerhalb einer Reaktionsmasse nutzt, um in Antwort auf Umlaufbewegung der Außenwand der Reaktionsmasse seismische Energie zu Erzeugen nutzt. In diesem Fall enthält ein Umlaufscherwellenvibrator 60 ein rohrförmiges Gehäuse 62, das weiter die Reaktionsmasse bildet, die in dieser Anwendung einen so geringen Wert wie praktikabel hat. Das rohrförmige Gehäuse 62 ist aus Abschnitten gebildet, bestehend aus einer Kronenbuchse 64, die dichtend an einer oberen Buchse 66 festgeschraubt ist, die wiederum dichtend auf eine mittlere Buchse 68 geschraubt ist. Die mittlere Buchse 68 ist dann in eine untere Buchse 70 eingeschraubt (Fig. 3B), die mit einer Bodenkappenbuchse 70 in Gewindeeingriff steht. Von einer Endkappe 74 steht nach unten ein Bügel 76 ab.
Ein Verbindungskragen 78 mit einem Mehrfachleitungs-Aufnahmekabel 80 ist in dem Generator 60 durch einen passenden Verbinder 88 dichtend ausgeschlossen, und zwar mittels eines Gewindezapfens 82, der ein integrales Teil des Verbinders 88 ist. Ein Massendrehkörper 84 ist an der Gewindebefestigung der Kronenbuchse 64 an der oberen Buchse 66 festgehalten, und enthält eine Gewindebohrung 86 zur Aufnahme des Gewindezapfens 82. Der Gewindezapfen 82 läuft durch den Verbinder 88 unter Bildung einer abgedichteten Kammer in sicherem Gewindeeingriff mit einem Gewindekragen 90, der durch Setzschrauben 92 in dem oberen Abschnitt der Kronenbuchse 64 gesichert ist. Somit bildet der Massenkörper 84 nicht nur eine feste Verbindung mit der oberen Kabelanordnung, sondern bildet weiter eine Tragstruktur für wenigstens ein Geophon 94, das durch selektive Drehung des Massenkörpers 84 in einer ausgewählten Querausrichtung gehalten wird. Ein Paßstift 85 verhindert die Drehung des Körpers 84 relativ zur oberen Buchse 66.
Der untere Abschnitt des Generators 60 ist ähnlich konstruiert, wobei ein Massenkörper 96 an der Gewindeanordnung der Kappenbuchse 72 und der unteren Buchse 70 gesichert ist. Ein Kabelverbinder 98 ist in eine Gewindebohrung 90 des Massenkörpers 96 eingeschraubt, um eine elektrische Verbindung durch das untere Kabel 102 herzustellen. Eine untere Kabelanordnung 102 kann in bestimmten, aber nicht allen Konf igurationen verwendet werden, und andernfalls würde man ein geeignetes Stopfenteil verwenden. Der Bügel 76 dient zum Aufhängen ausgewählter Stabilisierungsgewichte. Der Massenkörper 96 enthält wenigstens ein Geophon in bestimmter azimutaler Richtung für eine weiter unten beschriebene Verwendung. Die Orientierung wird durch einen nicht gezeigten Indexzapfen gehalten.
Die mittlere Buchse 68 dient zur Aufnahme eines A-C oder D-C Elektromotors 106 variabler Drehzahl mit einer zweiendigen Welle 108, um an die exzentrischen Rotoren eine Drehantriebskraft anzulegen. Der Motor 106 enthält einen nicht gezeigten eingebauten Codierer, um eine Rückkopplung für die Drehzahl und Phasensteuerung zu erhalten. Die Unterseite des Motors 106 (Fig. 3B) ist an einem guerverlauf enden Ringflansch 110 fest gesichert, während die Drehwelle 108 an einer flexiblen Kupplung 112 mit einer Ausgangswelle 114 gesichert ist, die an einem exzentrischen Rotor 116 gesichert ist. Ein Ringgehäuseteil 118 ist in geeigneter Weise an der Verbindung der mittleren Buchse 68 mit der unteren Buchse 62 durch einen Abstandshalter 119 befestigt, um eine zylindrische Kammer 120 festzulegen. Ein Paar axial ausgerichteter Lager 122 und 124 ist in dem Gehäuse 118 befestigt, um den exzentrischen Rotor 116 drehend zu halten. Wie in Fig. 3C dargestellt ist der exzentrische Rotor 116 eine kreisförmige Scheibe mit einem zentrumfernen Antriebspunkt wie an der Welle 114. Selbstverständlich könnten auch andere Formen von exzentrischen Massenrotoren verwendet werden. Die gezeigte Form ist ein Kompromiß bei der Bildung hoher Massenexzentrität und vermindertem Luftwiderstand.
Eine ähnliche Struktur wird am oberen Ende (Fig. 3A) verwendet, wobei der Motor 106 an einem Ringf lansch 126 gesichert ist. Ein zylindrischer Abstandshalter 128 ist unterhalb einen geeigneten Zylindergehäuses 130 gesichert, das weiter durch einen Abstandshalter 129 an der Gewindeverbindung der oberen Buchse 66 mit der mittleren Buchse 68 gesichert ist. Das obere Ende der Drehwelle 108 ist mit einer flexiblen Kupplung 132 verbunden, die eine an einem exzentrischen Rotor 140 gesicherte Welle 134 antreibt. Der Rotor 140 ist zwischen oberen und unteren Axiallagern 136, 138 gehalten. Das Gehäuse 130 begrenzt eine zylindrische Kammer 137, und eine exzentrische Scheibe 140 ist zur Drehung darin auf der Welle 134 verkeilt. Die exzentrischen Scheiben 140 und 116 sind an den jeweiligen Wellen 134 und 114 in gleicher Phase oder radialer Ausrichtung keilverbunden.
Bei Betrieb ist der umlaufende Scherwellengenerator 60 in einem fluidgefüllten Bohrloch (nicht gezeigt) an einer vorbestimmten Position auf gehängt, und die zylindrischen Außenwände des Rahmengehäuses 62 liegen in energiekoppelnder Beziehung zur Bohrlochwand. Phasengleiche Drehung der exzentrischen Scheiben 140 und 116 durch den Motor 106 erzeugen eine Reaktionsumlaufbewegung der Rahmengehäusemasse 62, wodurch eine Umlaufscherwelle in die Bohrlochwand zur Fortpflanzung nach außen und oben in der in Fig. 2 gezeigten Weise eingekoppelt wird. Wie oben beschrieben, werden auch seismische Druckwellen erzeugt. Die zwei Geophone 94 und 104 sind in identischer Orientierung nahe gegenüberliegenden Enden des Rahmengehäuses 62 angebracht, und diese geben Ausgangssteuersignale aus zur unterschiedlichen Verwendung bei der Überwachung des Generatorausgangssignals, der Indizierung der Generatordrehung, der Erfassung von Replicasignalen etc.. Es können leicht zusätzliche Geophonpaare wie etwa ein relativ zu den Geophonen 94 und 104 um 90º orientiertes Paar verwendet werden.
Fig. 4A und 4B zeigen eine alternative Form der Generatorkrafterzeugung eines Typs geringer Trägheit, d.h. ähnlich der in Fig. 1A gezeigten Form, in der der Rotor ausgewuchtet ist, jedoch eine Energiekopplungsbewegung durch eine umlaufende Trennwandbewegung bewirkt wird. Ein umlaufender Scherwellengenerator 140 enthält einen zylindrischen Rahmenabschnitt 142 mit einer quadratischen Anordnung nahe dem Umfang angeordneter Drahtspulen. Eine Mehrzahl Drahtspulen 144, 146, 148 und 150 ist aus Draht ausgewählter Drahtdicke auf Kerne hoher magnetischer Permeabilität gewickelt, um erwünschte elektromagnetische Eigenschaften zu erhalten. Das Rahmengehäuse 142 ist aus nicht-magnetischem Metall gebildet und obere Polstücke 152, 154, 156 und 158 und untere Polstücke 160, 162, 164 und 166 sind aus Material hoher magnetischer Permeabilität gebildet. Somit ist jedes der Polstücke durch die Innenwand des Rahmengehäuses 142 in geeigneten bogenförmigen Nuten 167 und 168 gesichert, um die jeweiligen Drahtspulen 144 bis 150 nahe der Innenwand des Rahmengehäuses 142 zu halten.
Ein nicht-magnetischer rostfreier Stahlring 170 mit abgeschrägten oberen und unteren Kanten 172, 174 ist in geeigneter Weise um das Rahmengehäuse 142 herum gesichert und verläuft zwischen den oberen und unteren Eisenpolstücken 152 bis 158 und 160 bis 166. Ein Reaktionsring 176 mit Laufflächen 177 und 179 am Innendurchmesser, der ein wenig größer als der Außendurchmesser des rostfreien Stahlrings 170 ist, ist mit Abstand von dem rostfreien Stahlring 170 und diesen überlappend angeordnet. Der Eisenring 176 kann mit schwereren oberen und unteren Laufbahnen 177 und 179 versehen sein, um eine magnetische Ausrichtung zu den jeweiligen oberen und unteren Polstücken sicherzustellen. Eine elastomere obere Manschette 178 ist in geeigneter Weise zur Abdichtung zwischen dem Rahmengehäuse 142 und dem oberen Abschnitt des Eisenrings 176 gesichert, während eine untere elastomere Manschette 180 in ähnlicher Weise zur Abdichtung nahe der unteren Kante des Eisenrings 176 gesichert ist. Eine innerhalb der elastomeren Barrieren gebildete Kammer 182 wird dann mit einem geeigneten niederviskosen Öl gefüllt, um einen Druckausgleich über die elastomeren Barrieren zu bilden und einen leichtgängigen Kontakt sicherzustellen und Geräusche und Störungen zu vermindern.
Bei Betrieb sind eine Mehrzahl phasenverschobener Wechselstromquellen im Bohrloch mit ausgewählten der jeweiligen elektromagnetischen Spulen 144 bis 150 verbunden, und in Übereinstimmung mit der Phasenbeziehung der erregenden Spannung findet eine Erregung der jeweiligen elektromagnetischen Spulen statt, und zwar in einer um das Rahmengehäuse 142 herum fortschreitenden vorbestimmten Sequenz. Wenn somit der Eisenring 176 an einer Seite zum rostfreien Stahlring 170 hin einwärts angezogen wird, befindet sich die gegenüberliegende Seite maximal außen, um eine lokalisierte Druckerhöhung in dem Bohrlochfluid vorzusehen, wodurch wiederum an diesem Punkt auf die Bohrlochwand eine Scherwellenpartikelenergie einwirkt. In Abhängigkeit von der Phasenbeziehung der erregenden Spannungen kann der Eisenring 176 in Umlauf um das Gehäuse veränderlich gedreht werden, um in der Bohrlochwand eine elliptisch polarisierte Scherwelle zu erzeugen.
Fig. 5 zeigt noch eine weitere Form eines Umlaufscherwellengenerators geringer Trägheit zur Anwendung in einem Bohrloch, bei der piezoelektrische Elemente verwendet werden. Ein Bohrlochscherwellengenerator 190 umfaßt ein geeignetes rohrförmiges Rahmengehäuse 192 und eine Mehrzahl in ihrer Richtung versetzter piezoelektrischer Elemente, die entlang diesem mittig gesichert sind. Ganz in der Mitte ist ein Paar Reaktionsmassen 194 und 196 nebeneinander liegend und parallel zueinander angeordnet, wobei sie mittels jeweiliger reibungsarmer Linearlager 198 und 200 in Querrichtung in dem Rahmengehäuse 192 gehalten sind. Die Linearlager ausgewählten Durchmessers und ausgewählter Länge sind etwa bei Linear Rotary Bearings, Inc., Westbury, New York erhältlich. Piezoelektrische Elemente 202 und 204 sind in geeigneter Weise mit den Enden der Reaktionsmasse 194 verbunden, und piezoelektrische Elemente 206 und 208 sind in ähnlicher Weise mit den Enden der Reaktionsmasse 196 verbunden. Die Außenenden der piezoelektrischen Elemente 202 bis 208 sind in geeigneter Weise in festem Kontakt mit dem rohrförmigen Rahmengehäuse 192 verbunden. Elektrische Verbindungen 210 und 212 steuern dann die wechselweisen piezoelektrischen Erregungen. Weiter ist ein Paar Reaktionsmassen 214 und 216 über und unter den Massen 194 und 196 mit gleichem Abstand aber im rechten Winkel dazu angeordnet. Jede der Massen 214 und 216 ist durch in reibungsarmes Linearlager 218 und 220 gehalten und jede davon enthält an ihren gegenüberliegenden Enden piezoelektrische Elemente, die in der gleichen Weise wie bei den Reaktionsmassen 194 und 196 zusammengesetzt sind. Elektrische Steuerverbindungen 219 und 221 leiten den piezoelektrischen Elementen wechselweise Erregung zu.
Der Generator 190 ist eine weitere alternative Form eines seismischen Generators geringer Trägheit, der eine relativ gute Ausgangsleistung erreicht. Die Querreaktionsmassen und Erregungselemente sind paarweise angeordnet, so daß sie jederseits einer Rahmengehäusemittellinie 222 gleichartig angeordnet werden können, wodurch sie eine ausgeglichene Querkraft auf das Rahmengehäuse 192 bewirken und jede Drehbewegung um die Längsachse vermeiden. Obwohl vier Elemente dargestellt sind, können leicht zusätzliche Quadraturen solcher Elemente jederseits der Gehäusemittellinie 222 gleichartig angeordnet hinzugefügt werden, um eine erhöhte Ausgangsleistung zu erhalten. Somit bewirkt ein Anlegen einer Erregungsspannung an den Leiter 212 bei entgegengesetztem Pulsieren an der Leitung 210 eine Kristallexpansion der piezoelektrischen Elemente 204 und 208 bei gleichzeitiger Kontraktion der Elemente 202 und 206, um hierdurch an der Bohrlochwand nahe den piezoelektrischen Elementen 204 und 208 einen lokal erhöhten Druck zu erzeugen. Eine ähnliche Steuerung der querverlaufenden Reaktionsmassen 214 und 216 durch wechselweises Pulsieren ihrer jeweiligen piezoelektrischen Elemente resultiert in ähnlichen Scherwellenkräften an der Bohrlochwand. Eine koordinierte Steuerung ausgewählter Phasenbeziehungen der beiden um 90º versetzten Paare Reaktionsmassen bewirkt ein Erzeugen elliptisch oder kreisförmig polarisierter Scherwellen in der benachbarten Bohrlochwand. Dieser elektronische Steuerungstyp einstellbarer Phase ist im einzelnen in der vorgenannten europäischen Patentanmeldung EP-A-0256625 mit dem Titel "Method of Seismic Exploration Using Elliptically Polarized Shear Waves" diskutiert.
Das Vorstehende zeigt eine neue Form eines seismischen Umlaufvibrators für ein Bohrloch der Bauart, bei der seismische Scherwellen, insbesondere elliptisch polarisierte seismische Scherwellen durch das Bohrlochfluid in die Bohrlochwand mit annehmbarer Kraft eingekoppelt werden können, während gleichzeitig seismische Druckwellen annehmbarer Kraft erzeugt werden. Die Erzeugung solcher Scherwellen und Druckwellen im Bohrloch erlaubt eine Anzahl neuer Schalltechniken, bei denen Daten in Form umgekehrt vertikaler seismischer Profile (VSP) zusammengestellt werden können oder seismische Profile von Loch zu Loch über ein ausgewähltes Terrain erhalten werden können. Darüberhinaus können solche Vibratoren behilflich sein, entlang einem einzigen Bohrloch akustische Schallmessungen durchzuführen mit dem Zweck, Geschwindigkeitsbeziehun gen der unterschiedlichen Schichten zu erhalten.

Claims

1. Seismischer Bohrlochgenerator (10; 60; 140; 190) zum gleichzeitigen Erzeugen seismischer Umlauf scherwellenenergie und seismischer Druckwellenenergie in eine Wand (12) eines fluidgefüllten Bohrlochs, umfassend: ein langgestrecktes Rahmenmittel (26; 62) mit einer Mittelachse und einer an einer Stelle längs der Bohrlochwand abstützbaren Außenwand; und ein in dem Rahmenmittel angeordnetes Antriebsmittel, das zum Anlegen einer Umlaufbewegung an wenigstens einem Abschnitt (52; 62; 176; 192) der Außenwand des Rahmenmittels erregbar ist, um hierdurch in der Bohrlochwand (12) eine Umlaufscherwelle zu erzeugen.

2. seismischer Bohrlochgenerator (10; 60; 140; 190) nach Anspruch 1, in dem das Rahmenmittel (26, 62) umfaßt: einen Zylinder (28, 30; 62) mit einer durchgehenden Außenwand in Kontakt mit dem Bohrlochfluid; und an gegenüberliegenden Enden des Zylinders (28, 30; 62) befestigte obere und untere Endkappenstrukturen (90, 74).

3. Seismischer Bohrlochgenerator (60) nach Anspruch 1 oder 2, in dem das Antriebsmittel umfaßt:

einen Drehkraft erzeugenden Antriebsmotor (106); und die Drehkraft aufnehmende erste und zweite exzentrische Rotoren (116, 140), welche Rotoren mit gleichem Abstand entlang der Mittelachse des Rahmenmittels (62) angeordnet und zu synchroner exzentrischer Drehung zueinander parallel und radial ausgerichtet sind.

4. Seismischer Bohrlochgenerator (60) nach Anspruch 3, in dem jeder der ersten und zweiten exzentrischen Rotoren umfaßt:

eine kreisförmige Scheibe (116, 140) mit einem exzentrisch versetzten Wellenloch zur Aufnahme eingegebener Drehung.

5. Seismischer Bohrlochgenerator (60) nach Anspruch 3 oder 4, in dem der Antriebsmotor (106) ein Elektromotor variabler Drehzahl mit einem Rückkopplungscodierer ist.

6. Seismischer Bohrlochgenerator (10) nach Anspruch 1 oder 2, in dem das Rahmenmittel (26) umfaßt: wenigstens zwei zylindrische Rahmen (28, 30) relativ schwerer Masse, die in axialer Ausrichtung durch einen weit offenen peripheren Tragkäfig (32, 33) gesichert sind und dazwischen eine zylindrische Kammer (34) festlegen;

eine biegsame Manschette (52), die die Kammeraußenwand einschließt und Fluid darin hält; und

erste und zweite Endkappenmittel, die an gegenüberliegenden Enden der gesicherten zylindrischen Rahmen gesichert sind.

7. Seismischer Bohrlochgenerator (10) nach Anspruch 6, worin das Antriebsmittel umfaßt

einen Antriebsmotor (36), der entlang der Mittelachse Drehkraft erzeugt; und

eine Rotorscheibe (42) ausgewählter Dicke, die durch die Drehkraft exzentrisch angetrieben ist, welche Scheibe in der Kammer angeordnet ist, um die Manschette (52) in umlaufender Weise relativ zu der Bohrlochwand (12) zu strecken.

8. Seismischer Bohrlochgenerator (10> nach Anspruch 6 oder 7, in dem der Tragkäfig (32, 33) umfaßt:

wenigstens zwei in Umfangsrichtung mit gleichem Abstand voneinander angeordnete Streben, die in Längsrichtung zwischen den jeweiligen Rahmen (28, 30) gesichert sind.

9. Seismischer Bohrlochgenerator (10) nach Anspruch 6, 7 oder 8, in dem biegsame Manschette umfaßt:

eine im wesentlichen zylindrische elastomere Membrane (52), die um den Umfang der jeweiligen Rahmen (28, 30) nahe der zylindrischen Kammer (34) abdichtend befestigt sind.

10. Seismischer Bohrlochgenerator (10) nach Anspruch 7, in dem der Antriebsmotor (36) ein Elektromotor variabler Drehzahl mit wenigstens einem eingebauten Rückkopplungscodierer ist.

11. Seismischer Bohrlochgenerator (190) nach Anspruch 1 oder 2, in dem das Antriebsmittel umfaßt:

wenigstens zwei gleiche erste Reaktionsmassen (194, 196), die gegenüberliegende Enden aufweisen, und parallel nebeneinanderliegend und quer ausgerichtet im wesentlichen zentral in dem Rahmenmittel (192) befestigt sind;

wenigstens zwei gleiche zweite Reaktionsmassen (214, 216), die gegenüberliegende Enden aufweisen und nahe jeder Seite der ersten Reaktionsmassen (194, 196), jedoch in rechtwinkliger Ausrichtung relativ zu den ersten Massen befestigt sind;

eine Mehrzahl piezoelektrischer Elemente (202, 204, 206, 208), die jeweils mit den jeweiligen Enden der ersten und zweiten Reaktionsmassen (194, 196, 214, 216) und mit dem zylindrischen Rahmenmittel (192) fest verbunden sind; und

ein Mittel zum Erregen der piezoelektrischen Elemente in ausgewählter Phasenbeziehung, um auf das zylindrische Rahmenmittel (192) eine vorbestimmte Drehquerkraft auszuüben.

12. Seismischer Bohrlochgenerator (190) nach Anspruch 11, der weiter umfaßt:

wenigstens vier Linearlager (198, 200, 218, 220), die zum Tragen der ersten und zweiten Reaktionsmassen (194, 196, 214, 216) befestigt sind.

13. Seismischer Bohrlochgenerator (140) nach Anspruch 1 oder 2, in dem das Antriebsmittel umfaßt

wenigstens vier elektromagnetische Spulen (144, 146, 148, 150) mit oberen (152, 154, 156, 158) und unteren (160, 162, 164, 166) Polstücken aus Metall hoher magnetischer Permeabilität, welche Spulen in quadratischer Anordnung gehalten sind, wobei die oberen und unteren Polstücke jeweils kreisförmig ausgerichtet sind und wobei alle Polstücke in der Masse des Zylinders (142) befestigt sind;

einen nicht-magnetischen Ring (170) gewählten Außendurchmessers, der um den Zylinder in dem Kreisbereich zwischen den ringförmig angeordneten Polstücken befestigt ist;

einen Eisenring (176) mit einem Innendurchmesser, der größer gewählt ist als der Außendurchmesser des nichtmagnetischen Rings und der dazu konzentrisch angeordnet ist;

ein fluiddichtes biegsames Manschettenmittel (180), das an dem Zylindermittel (142) jederseits des nichtmagnetischen Rings gesichert ist, um den Eisenring konzentrisch zu halten;

in dem Manschettenmittel angeordnetes Fluid ausgewählt ter Viskosität und Kompressibilität; und

ein Mittel zum Erregen der elektromagnetischen Spulen (144, 146, 148, 150) in ausgewählter quadratischer Phasenbeziehung, um den weichen Eisenring (170) mit Drehquerkraft relativ zu dem zylindrischen Rahmenmittel (142) zu verlagern.