DE69002375T2

DE69002375T2 - Verfahren und Gerät zur akustischen Untersuchung der in einem Bohrloch zementierten Verrohrung.

Info

Publication number: DE69002375T2
Application number: DE90401110T
Authority: DE
Inventors: Peter Wright
Original assignee: Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA; Schlumberger Technology BV; Schlumberger Ltd USA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA; Schlumberger Technology BV; Schlumberger Ltd USA
Priority date: 1989-04-26
Filing date: 1990-04-25
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2010-04-26
Also published as: NO176626B; AU5386990A; FR2646513A1; EP0395499A2; NO176626C; EP0395499A3; NO901825D0; NO901825L; CA2014875C; CA2014875A1; AU618472B2; DK0395499T3; US5216638A; FR2646513B1; ID824B; ATE92193T1; DE69002375D1; EP0395499B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die akustische Inspektion einer Auskleidung, die in ein Bohrloch zementiert ist, das untertägige Schichten durchteuft. Sie bezieht sich genauer gesagt auf ein Verfahren für die Verarbeitung von einem gemessenen akustischen Signal zur Bildung von Signalen, die repräsentativ sind für Charakteristiken bezüglich der Auskleidung und der umgebenden Materialien, während gleichzeitig eine Kompensation erfolgt bezüglich Veränderungen in dem erzeugten akustischen Impuls und der akustischen Dämpfung durch die Spülung, welche das Bohrloch füllt.
Im Allgemeinen wird, wenn die Bohrung die gewünschte Tiefe erreicht hat, das Bohrloch ausgekleidet, wobei Zement in den Ringraum zwischen der Auskleidung und der Bohrlochwandung injiziert wird, um die hydraulische Kommunikation zwischen den verschiedenen geologischen Schichten zu verhindern. Um zu bestimmen, ob solche unerwünschte Kommunikation gleichwohl vorliegt, können Messungen Untertage durchgeführt werden mittels einer Logsonde, um die Qualität der Haftung zwischen dem Zement und der Auskleidung zu bestimmen. Eine andere interessierende Information, die aus diesen Messungen abgeleitet werden kann, ist die Dicke der Auskleidung.
Es ist lange Zeit Praxis gewesen, akustische Wellen anzuwenden, um solche Messungen durchzuführen. Solche Techniken beruhten auf Messungen, die Mittelwerte in Umfangs- und/oder Längsrichtung der Auskleidung sind, und können infolgedessen nicht lokale Phänomene identifizieren, wie in Längsrichtung verlaufende hydraulische Kommunikationspfade. Eine vollständige Darstellung des Standes der Technik kann in US Patent 4.255.798 von Havira, Spalten 2-7, gefunden werden.
Von den Techniken, die angestrebt haben, die vertikale und radiale Auflösung bei solcher Inspektion zu verbessern, erweist sich die in dem oben genannten Havira-Patent beschriebene Technik als extrem wichtiger Durchbruch. Diese Technik besteht darin, einen akustischen Impuls über einen radialen Sektor der Auskleidung zu emittieren, wobei der Impuls aus akustischen Wellen besteht mit Frequenzen, die so gewählt sind, daß Resonanz über der Dicke der Auskleidung zwischen ihrer Außenwandung und ihrer Innenwandung hervorgerufen wird; aus der Bestimmung der Energie, die in einem Nachhallsegment des reflektierten Signals vorliegt; und in der Charakterisierung aus dieser Energie der Qualität der Haftung des Zements hinter dem radialen Sektor der Auskleidung. Das betrachtete Nachhallsegment wird so ausgewählt, daß es im wesentlich repräsentativ ist für den akustischen Nachhall zwischen den Wandungen der Auskleidung. Schnelles Dämpfen der Resonanz, in anderen Worten niedrige Energie, bedeutet, daß Zement hinter der Auskleidung vorliegt, während langsame Dämpfung, d.h. hohe Energie, bedeutet, daß es dort keinen Zement gibt.
Eine diese Technik verwendende Logsonde ist in einer kommerziellen Broschüre mit dem Titel "Cement Evaluation Tool" von Schlumberger im Juni 1983 veröffentlicht worden. Die Sonde dieses Geräts ist innerhalb der Auskleidung zentriert.
Die Sonde umfaßt acht Wandler, die schraubenförmig verteilt mit 45º-Intervallen angeordnet sind, wodurch man eine gute Abdeckung rings um die Peripherie der Auskleidung erhält. Akustische Impulse werden sequentiell gefeuert. Sie werden in gleicher Weise sequentiell empfangen und analysiert und zur Oberfläche übertragen, wo sie verarbeitet werden.
Zusätzlich ist ein neunter Wandler, der als Referenzwandler bezeichnet wird, in die Achse der Auskleidung auf eine reflektierende Wandung gerichtet, die eben ist und in einem festen Abstand von dem Referenzwandler angeordnet ist. Das Reflexionssignal, erfaßt durch den neunten Wandler, wird verwendet, um an Ort und Stelle die Ausbreitungszeit durch die Bohrlochfluide (Spülung) zu bestimmen, d.h. das Zeitintervall zwischen der Emission und dem Empfang der akustischen Welle, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle durch die Spülung wird daraus abgeleitet. Bei Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist es möglich, den scheinbaren Radius der Auskleidung für jeden der acht Wandler zu bestimmen. Es ist besonders vorteilhaft, diesen Radius zu gewinnen, da dies ermöglicht, insbesondere jegliche mögliche Deformation der Auskleidung zu erkennen, und die Zentrierung der Sonde innerhalb der Auskleidung zu überwachen, um eine Indikation bezüglich der Gültigkeit und der Qualität der ausgeführten Messungen zu erhalten.
Bei dieser Technik wird ein Teil des reflektierten akustischen Signals aufgegriffen, welcher Teil repräsentativ ist für akustische Reflexionen zwischen den Wandungen der Auskleidung.
Ein Signal QCi wird davon abgeleitet, das repräsentativ ist für die Qualität der Haftung des Zements an der Auskleidung auf der Basis der Energie W2, gemessen in einem Nachhallsegment des reflektierten Signals S.
Die Amplitudenänderungen eines solchen Signals S als eine Funktion der Zeit und wie erfaßt durch einen Wandler sind in Figur 2 gezeigt. Die Wirkungen infolge der Spülung werden berücksichtigt durch Normalisieren der gemessenen Energie W2 relativ zu dem Spitzenamplitudensignal W1 des reflektierten akustischen Signals. Trotzdem zeigt es sich, daß diese Normalisierung keine vollständige Befriedigung ergibt, da die quantitative Interpretation der Messungen Probleme der Divergenz in den Messungen aufzeigt.
Tests und Experimente, die von der Anmelderin ausgeführt wurden, haben gezeigt, daß diese Differenzen in hohem Maße der Tatsache zugeschrieben werden können, daß die konventionelle Verarbeitung empfindlich ist gegenüber Eigenschaften der Spülung, Kennwerten der Wandler und der Treiber-Elektronik.
Die Anmelderin hat beobachtet, daß die Normalisierung des Signalabschnitts bei Energie W2 ausgeführt wurde unter Verwendung eines Spitzenamplitudensignals W1, das nicht den gleichen Frequenzen entsprach wie jene, die in dem Abschnitt des Signals entsprechend der Energie W2 vorhanden waren.
Im allgemeinen ist die Energie W1 nicht bei derselben Frequenz wie die Energie W2, nicht einmal in Wasser. Die Energie W1 ist ein Maß des Energiemaximums, übertragen von einer Spektrumskomponente, die abhängt von den Eigenschaften des Impulses, d.h. den Charakteristiken des Wandlers und seiner Treiberelektronik, und von der Dämpfung durch die Spülung, während die Energie W2 nur Energie rings um die Resonanzfrequenz der Auskleidung umfaßt.
Die Anmelderin schlägt ein abweichendes Konzept für die Verarbeitung des reflektierten akustischen Signals vor, wodurch Veränderungen in der akustischen Impulscharakteristik und Spülungsdämpfung kompensiert werden können in befriedigender Weise, und die Verlässlichkeit der Zementhaftung und anderer Information, gewonnen aus den Messungen, verbessert werden kann.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Kennwerts einer in einem Bohrloch zementierten Auskleidung, wie der Zementhaftung und der Auskleidungsdicke, aus einem reflektierten akustischen Signal S(t), gewonnen durch Richten eines akustischen Impulses mit im wesentlichen senkrechtem Auftreffen auf einen radialen Sektor der Wandung der Auskleidung, welcher Impuls Dickenresonanz innerhalb der Wandungen der Auskleidung stimuliert, umfassend die Schritte: Definieren eines ersten Zeitfensters entsprechend einem ersten Abschnitt des Signals S(t) einschließlich der anfänglichen Reflexion von der Auskleidung und nachfolgender akustischer Rückläufe infolge Resonanz, Definieren eines zweiten Zeitfensters entsprechend einem zweiten Abschnitt des Signals S(t), das nur die anfängliche Reflexion von der Auskleidung umfaßt, und Bestimmen des Auskleidungskennwerts aus Information bezüglich der Resonanz, enthalten in dem ersten Zeitfenster, während die Information normalisiert wird durch Information, enthalten in dem zweiten Zeitfenster.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Lesen der folgenden Beschreibung, bei der auf die beigefügten Zeichnungen bezuggenommen wird, in welchen:
Figur 1A ein Diagramm einer Vorrichtung für die Zementüberprüfung ist, wobei die Vorrichtung in der Benutzung in einem Bohrloch dargestellt ist;
Figur 1B in größeren Einzelheiten die Sonde der Vorrichtung nach Figur 1A zeigt;
Figur 2 ein reflektiertes akustisches Signal zeigt, wie empfangen durch den Wandler T, mit Signalabschnitten W1, W2, wie im Verfahren nach dem Stand der Technik definiert;
Figur 3 ein reflektiertes akustisches Signal S zeigt, wie erfaßt durch den Wandler T, mit Signalabschnitten CW und PW, definiert gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figuren 4 bzw. 5 das Normalisierungsfenster C bzw. Verarbeitungsfenster P zeigen, wie bei dem Verfahren gemäß der Erfindung definiert;
Figur 6 das Frequenzspektrum der Signalamplitude darstellt, mit ausgezogenen Linien für das Signal erfaßt mit dem Verarbeitungsfenster, und mit gestrichelten Linien für das Signal erfaßt mit dem Normalisierungsfenster;
Figur 7 einen Abschnitt des Gruppenverzögerungsspektrums des Signals nach Normalisierung zeigt unter Verdeutlichung einer für eine Resonanz indikativen Senke;
Figuren 8 bzw. 9 in ausgezogenen Linien das Amplitudenspektrum bzw. in gestrichelten Linien das Gruppenverzögerungsspektrum des reflektierten Signals zeigen, wie erhalten aus synthetischen Daten für Auskleidungen von zwei unterschiedlichen Dicken;
Figur 10 ein Diagramm eines elektromagnetischen Modells der Auskleidung des Zements und der Spülung ist zur Verwendung bei einem Verfahren für die Berechnung der Zementimpedanz und Dicke der Auskleidung.
Gemäß Figur 1 umfaßt ein akustisches Loggerät für die Untersuchung der Qualität der Zementhaftung ein untertägiges Gerät 10, aufgehangen in einem Bohrloch 11 am Ende eines Mehrleiterkabels 12.
Das mit einem Fluid, typischerweise Bohrspülung M, gefüllte Bohrloch durchteuft Schichten 13 und ist mit Auskleidung 14 versehen. Zement 15 nimmt den Ringraum zwischen der Auskleidung und den von dem Bohrloch durchteuften geologischen Schichten ein. Dieses Loggerät basiert auf dem Meßkonzept der Auskleidungsresonanz, wie in dem oben erwähnten Havira-Patent offenbart.
Generell ist das untertägige Gerät 10 ein langgestreckter Korpus mit einer Sonde 16, einem oberen und einem unteren Zentrierer 17 bzw. 18 für das Halten der Sonde 16, zentriert in der Achse der Auskleidung 14, einem akustischen Kompensationsabschnitt 22, einem hydraulischen Kompensationsabschnitt 32 und einem Elektroniabschnitt 19.
Verschiedene Ausführungsformen sind für die Sonde 16 möglich. In einer ersten (nicht dargestellten) Ausführungsform kann die Sonde 8 akustische Wandler umfassen in Winkelrichtung rings um die Sonde verteilt und schraubenlinienförmig angeordnet, um so die Inspektion von acht Sektoren der Auskleidung zu ermöglichen, wie in dem vorgenannten Havira-Patent oder US-Patent 4.685.092 von Dumont beschrieben.
In einer zweiten Ausführungsform hat die Sonde 16 einen einzigen akustischen Wandler T. Die Sonde 16 hat einen Antriebsmotor 20 für das Drehen der den Wandler T tragenden Baugruppe um die Achse der Sonde. Demgemäß kann im Normalbetrieb die Sonde die gesamte Peripherie des Bohrlochs durch kontinuierliches Verdrehen des Wandlers untersuchen.
Eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung der Struktur der Sonde in dieser Ausführungsform findet sich in US Patentanmeldung Nr. 494.721, hinterlegt 16. März 1990. Durch Anwendung eines Systems mit einer versetzten Antriebswelle und einem Anschlag ist es möglich, in einem Eichbetriebsmodus den Reflektor 24 von der Antriebswelle abzukoppeln, um so zu bewirken, daß nur der Wandler T in eine Position verdreht wird, wo er auf den Reflektor gerichtet ist.
Die Zentrierer 18 und 19 sind konventionell und mit Mitteln (nicht dargestellt) versehen für die Herstellung der elektrischen und/oder hydraulischen Verbindungen zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt jedes Zentrierers.
Der hydraulische Kompensationsabschnitt 32 ist von konventionellem Typ und dient dazu, den Druck des Fluids in den Hydraulikkreisen im untertägigen Gerät 10 auf demselben Druck zu halten wie das Bohrlochfluid M, d.h. hydrostatischem Druck des Bohrlochs, wodurch exzessive Druckdifferenzen auf empfindliche Abschnitte der Sonde vermieden werden.
Der den akustischen Wandler enthaltende Abschnitt 22 hat einen hohlen Abschnitt 23, der zur Spülung M hin offen ist. Der Wandler T emittiert akustische Wellen durch den hohlen Abschnitt 23 längs einer Achse, die im wesentlichen senkrecht steht zur Achse der Sonde 16 entweder in Richtung des Reflektors 24 beim Eichmodus oder in Richtung der Auskleidung (normaler Meßmodus). Der Reflektor 24, der im wesentlichen senkrecht steht zur Emissionsachse des Wandlers T simuliert einen radialen Sektor der untersuchten Auskleidung 14.
Der Wandler T wird gesteuert für die Emission akustischer Impulse kurzer Dauer und mit einem Spektrum, das einen Frequenzbereich von 200 kHz bis 700 kHz überdeckt mit einer mittleren Frequenz von etwa 500 kHz.
Da der Wandler T in Radialrichtung emittiert, wird jeder emittierte Impuls von den verschiedenen Grenzflächen, auf die er trifft, reflektiert, nämlich der Auskleidung 14 oder dem Reflektor 24, wodurch ein Echosignal erzeugt wird, das von demselben Wandler erfaßt wird.
Die erfaßten Signale werden zu einem Elektronikabschnitt 19 übertragen durch entsprechende Verdrahtung (nicht dargestellt). Im Elektronikabschnitt 19 werden die Signale mit einer ausgewählten Rate abgetastet, in Digitalform gebracht, multiplexiert und schließlich zur Oberfläche übertragen über ein Modem (nicht dargestellt), das an Leiter in dem Kabel 12 angeschlossen ist.
An der Oberfläche sind die Leiter des Kabels 12 mit einem Gewinnungssystem 25 verbunden einschließlich eines Modems für das Dekodieren der übertragenen Information, das auch einen Demultiplexer umfaßt. Die Signale werden dann in einem Speicher 26 abgelegt. Der Speicher ist verbunden mit einem Rechner 27, geeignet für die Ausführung einer Folge von Verarbeitungsstufen bei jeder Tiefe. Diese Stufen werden unten im einzelnen erläutert.
Signale, die repräsentativ sind für die Tiefe des Gerätes 10 werden erzeugt mittels eines Verlagerungsdetektors, der einen Impulsgenerator 28 umfaßt, gesteuert durch ein Rad 29, das tangential am Kabel 12 anliegt. Der Impulsgenerator 28 erzeugt einen Impuls immer dann, wenn das Kabel 12 eine Längeneinheit durchlaufen hat.
Die durch den Rechner 27 ausgeführte Verarbeitung ergibt einen ersten Satz von Ausgangssignalen, die einem magnetischen Aufzeichnungsgerät 30 zugeführt werden, das sie für jede Tiefe in Digitalform auf einem Magnetband speichert. Die magnetische Aufzeichnung umfaßt insbesondere die Signale, geliefert von dem Wandler T, und ermöglicht infolgedessen die nachfolgende Verarbeitung der Daten. Außerdem liefert der Rechner 27 für jede Tiefe einen zweiten Satz von Ausgangssignalen an ein optisches Aufzeichnungsgerät 31, das eine graphische Aufzeichnung auf einem Film erzeugt, beispielsweise von der Bauar, beschrieben in dem französischen Patent 2 491 123.
Figur 2 zeigt in Abhängigkeit von der Zeit die Amplitudenänderungen eines Signals S, wie es durch den Wandler T erfaßt worden ist, und illustriert das Verfahren der Fensterbildung des Signals S, wie es in dem Havira-Patent offenbart ist.
Ein Signal, das repräsentativ ist für die Qualität der Haftung zwischen dem Zement und der Auskleidung, wird erzeugt aus der Energie W2, gemessen in einem Abschnitt des reflektierten Signals S, der im wesentlichen dem Nachhall entspricht zwischen den Wandungen der Auskleidung nach Erregung durch die von dem Wandler ausgesandten Impulse.
In dem Fenster t&sub2; - t&sub3; kann die Energie W2 auch Energie enthalten infolge Mehrfachreflexionen an den geologischen Schichten. Diese Reflexionen können vom Zeitpunkt t&sub1; an beobachtet werden.
Die Energie W2 wird normalisiert durch die maximale Spitzenenergie W1 in dem erfaßten Signal S. Diese Normalisierung dient dazu, Effekte infolge der Spülung zu eliminieren, ist jedoch, wie oben erläutert, nicht vollständig befriedigend.
Figur 3 zeigt dieselbe Amplitudenänderung des Signals S in Abhängigkeit von der Zeit, und wie erfaßt durch den Wandler T, zusammen mit zwei Fenstern, die, wie unten erläutert definiert sind, welche beide eine Zeitreferenz oder einen Zeitursprung t&sub0; enthalten, positioniert in einem Abschnitt des Signals, der der ursprünglichen Reflexion von der Gehäusewandung entspricht.

Bestimmung eines Zeitursprungs

Gemäß der Erfindung wird ein stabiler Zeitursprung so bestimmt, daß er sowohl Rauschen als auch Veränderungen in der Wandlerreaktion über verschiedene Messungen entgeht.
Um dies zu tun, können mehrere Methoden ins Auge gefaßt werden.
Bei einer ersten Möglichkeit wird ein analythisches Signal Sa(t) wie folgt bestimmt:
Sa(t) = S(t) - iH(S(t))
wobei S(t) das gemessene Signal ist und H die Hilbert-Transformation des gemessenen Signals, wobei i die Quadratwurzel aus -1 ist. Die Hilbert-Transformation kann man durch irgend einen bekannten Algorithmus gewinnen.
Der Zeitursprung t&sub0; wird definiert durch den Zeitpunkt, zu welchem das analythische Signal eine Spitze aufweist.
Ein anderes Verfahren zum Gewinnen des analythischen Signals Sa(t) besteht darin, eine Fourier-Transformation durch irgend einen schnellen Fourier-Transformations-Algorithmus auszuführen, dann die negativen Frequenzen durch Filtern zu entfernen, und danach eine weitere schnelle Fourier-Transformation bezüglich des nach der Filterung erhaltenen Signals auszuführen.
Der Zeitpunkt, an welchem eine Spitze in dem analythischen Signal auftritt, wird als Zeitursprung t&sub0; genommen.
Eine noch schnellere Methode besteht darin, das vom Wandler empfangene Signal gleichzurichten, wobei das Amplitudenmaximum vom gleichgerichteten Signal extrahiert wird zusammen mit zwei Extremwerten auf beiden Seiten des Maximums, um so drei Punkte zu erhalten, die durch (Zeit, Amplitude)-Koordinaten definiert sind.
Ein Polynom zweiter Ordnung, das durch diese drei Punkte verläuft, wird dann in konventioneller Weise bestimmt.
Das Maximum des resultierenden Polynoms wird bestimmt und die Zeitkoordinate t&sub0; des Maximums wird als Zeitursprung genommen und dient als eine Referenz für die Bestimmung der Position und Dauer der Fenster.

Fensterbildung des Signals S(t)

Ein erster Abschnitt PW des Signals S(t) wird definiert durch ein breites Zeitfenster (-t&sub1;, t&sub3;), das nachstehend als Verarbeitungsfenster bezeichnet wird. Der Signalabschnitt PW, der auf diese Weise gewonnen wird, umfaßt die anfängliche Reflexion des akustischen Signals von der Innenwandung der Auskleidung und akustische Rückläufe infolge Echos zwischen den Wandungen der Auskleidung, bewirkt durch seine Resonanz in Reaktion auf den akustischen Impuls.
Ein zweiter Abschnitt CW des Signals S(t), verwendet für Normalisierungszwecke, wird definiert durch ein schmales Zeitfenster (-t&sub1;, +t&sub1;), das auch als Normalisierungsfenster bezeichnet wird, welches Fenster zentriert ist auf den Zeitursprung t&sub0; und definiert werden kann als der frühe Abschnitt des weiten Fensters. Der Signalabschnitt CW, der so definiert ist, umfaßt hauptsächlich die anfängliche Reflexion von der Auskleidungswandung.
Figuren 4 bzw. 5 zeigen ein Beispiel des Fensterbildungssignals C(t) entsprchend einem schmalen Fenster, wie für die Normalisierung verwendet, bzw. ein Beispiel für das Fensterbildungssignal P(t) entsprechend einem weiten Fenster, wie für die Ausführung der unten beschriebenen Verarbeitung verwendet.
Die Signale in den Fenstern entsprechend den Abschnitten CW bzw. PW können erhalten werden durch Multiplizieren des Signals S(t) mit den Signalen, dargestellt in Figuren 4 bzw. 5, nämlich dem Engfenstersignal C(t) und dem Weitfenstersignal P(t).
Die von den Fenstern überdeckten Zeitintervalle werden definiert als Vielfache der nominellen Resonanzperiode der Auskleidung, um so automatisch die Fenster an den Typ der untersuchten Auskleidung anzupassen.
Die Zeitintervalle -t&sub1;, t&sub0; und t&sub0;, t&sub1; sollten im Bereich zwischen dem 1,5- und 3-fachen der nominellen Resonanzperiode der Auskleidung liegen und sind vorzugsweise gleich 2,5-fach dieser Nominalperiode. Das Normalisierungsfenster -t&sub1;, t&sub1; dauert demgemäß während einer Periode an, die zwischen dem 3-fachen und dem 6-fachen der nominalen Resonanzperiode der Auskleidung liegt, vorzugsweise einer Periode gleich dem 5-fachen dieser Nominalperiode.
Ein geeigneter Bereich für das Zeitintervall t&sub0;, t&sub3; des Verarbeitungsfensters liegt von 6- bis 12-mal, vorzugsweidse 6- bis 8-mal der nominalen Resonanzperiode der Auskleidung. Demgemäß ist das gesamte Zeitintervall -t&sub1;, t&sub3; überdeckt von dem Verarbeitungsfenster, zweckmäßigerweise zwischen dem 7,5-fachen und 15-fachen, vorzugsweise zwischen dem 7,5- und 11-fachen der nominellen Resonanzperiode der Auskleidung. Die nominelle Resonanzperiode der Auskleidung wird bestimmt aus der nominellen Dicke der Auskleidung und der Schallgeschwindigkeit in der Auskleidung, wobei beide Parameter bekannt sind.
Für die Fensterbildungssignale C(t) und P(t) können Hamming- Fenster benutzt werden. Figur 4 zeigt ein solches Hamming-Fenster für C(t), zentriert auf den Zeitursprung t&sub0;. Was das Verarbeitungsfenster P(t) angeht, zeigt zwar Figur 5 eine symmetrische Kurve, doch wird es bevorzugt, ein Hamming-Fenster zu benutzen, zentriert auf den Zeitursprung t&sub0;, jedoch zum Zeitpunkt t&sub1; abgeschnitten, d.h. ein asymmetrisches Fenstersignal.

Charakterisierung der Resonanz der Auskleidung

Die Resonanz der Auskleidung in Reaktion auf den akustischen Impuls hängt ab von dem Haften zwischen Zement und Auskleidung, was ausgedrückt wird als eine akustische Impedanz des Zements, und von der Auskleidungsdicke, welches die primären interessierenden Parameter bei der Inspektion der Auskleidung sind. Diese Parameter können bestimmt werden aus einer Charakterisierung eines Resonanzmodus der Auskleidung, beispielsweise dem Fundamentalmodus.
Wie oben erwähnt, wird das weite Verarbeitungsfenster P(t) definiert so, daß es die direkte Reflexion von der Auskleidung enthält sowie einen frühen Teil der Resonanz. Das schmale Fenster C(t) enthält nur die Reflexion von der Auskleidung als solcher, wobei das im Fenster liegende Signal CW(t) eine Information über das System enthält, gebildet durch die Pulserzeugungsbaugruppe - Wandler und Treiberelektronik - und die Spülung. Mit anderen Worten, liefert es die Reaktion auf den "unendlichen Block" (d.h. eine Auskleidung unendlicher Dicke und Erstreckung). Bei der Bestimmung der interessierenden Parameter wird die in dem Signalabschnitt CW enthaltene Information verwendet, um die im Signal S(t) enthaltene Information innerhalb des Verarbeitungsfensters P(t) so zu normalisieren, daß eine automatische Kompensation erfolgt bezüglich Veränderungen (mit der Temperatur, der Zeit usw.) in den Charakteristiken des akustischen Impulses und der Dämpfung durch die Spülung.
Um die Resonanz zu finden und zu charakterisieren werden die Frequenzspektren der im Fenster liegenden Signale PW und CW verwendet. Figur 6 zeigt in ausgezogenen Linien das Amplitudenspektrum PW(ω), erhalten aus dem Signal PW(t) unter Verwendung einer diskreten Fourier- Transformation, und in gestrichelten Linien die das Amplitudenspektrum CW(ω), gleicherweise erhalten aus dem Signal CW(t). Die Resonanz der Auskleidung erscheint als eine ausgeprägte Einsattelung im Signal PW(ω).
Da nun das Amplitudenspektrum stark abhängt von Wandlerveränderungen und Dämpfung durch das Bohrlochfluid, ist es bevorzugt, das Gruppenverzögerungsspektrum zu verwenden. Die Gruppenverzögerung ist definiert als die Ableitung der radialen Phase gegenüber der Winkelfrequenz und wird berechnet aus dem Phasenspektrum. Die Gruppenverzögerungsreaktion ist vorteilhaft indem sie dahin tendiert, glatt und linear zu sein, ausgenommen bei Resonanzen, und erlaubt deshalb eine leichte Indentifikation und Charakterisierung der Resonanz. Dies ist in Figur 8 dargestellt, welche die theoretische Amplitudenreaktion (ausgezogene Linie) und Gruppenverzögerungsreaktion (gestrichelte Linie) einer Auskleidung von 178 mm (7 Zoll) Durchmesser und 4 mm Dicke wiedergibt im Falle einer festen Zementhaftung (Zementimpedanz von 8 MRayl). Figur 9 zeigt in gleicher Weise die Amplituden- und Gruppenverzögerungsreaktionen einer Auskleidung von 178 mm Durchmesser und 16 mm Dicke mit derselben Zementhaftung.
Figur 7 verdeutlicht das Gruppenverzögerungsspektrum rings um eine Resonanz. Die Resonanz kann charakterisiert werden durch die zentrale Frequenz F&sub0; der Resonanz entsprechend einer minimalen Gruppenverzögerung τmin, durch die Tiefe H der Einsattelung entsprechend der Resonanz, und die fraktionelle Bandbreite B/F&sub0;. Die Bandbreite B ist die Breite der Einsattelung an einem Pegel Δτ oberhalb des Gruppenverzögerungsminimums τmin gleich einem vorbestimmten Prozentsatz, beispielsweise 40%, der Tiefe H der Einsattelung: B = F&sub2; - F&sub1; mit den entsprechenden Gruppenverzögerungen τ&sub2; und τ&sub1; derart, daß τ&sub2; - τmin = τ&sub1; - τmin = Δτ = 0,4H.
Die zentrale Frequenz F&sub0; ist primär abhängig von der Auskleidungsdicke, während die Tiefe und fraktionelle Bandbreite primär beeinflußt sind von den akustischen Impedanzen der Spülung und des Zements.

Bestimmung der Auskleidungsdicke und Zementimpedanz

Ein Normalisierungsschritt des Gruppenverzögerungsspektrums wird zunächst ausgeführt, um jegliche Neigung zu eliminieren durch Linearisieren des Gruppenverzögerungsspektrums des Normalisierungssignals CW und Subtrahieren desselben von dem Spektrum des Signals PW.
Dann werden die Parameter der Resonanz bestimmt durch Aufsuchen eines Minimums in dem normalisierten Gruppenverzögerungsspektrum innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs, positioniert um die nominelle Resonanzfrequenz des Gehäuses herum. Dies liefert Werte für die Parameter F0, H und B/F0, die als "gemessene Parameter" in der folgenden Beschreibung verwendet werden.
Nachdem die gemessenen Parameter der Resonanz bestimmt worden sind aus dem normalisierten Gruppenverzögerungsspektrum, werden die Auskleidungsdicke und die Zementimpedanz bestimmt durch Iteration unter Anwendung eines einfachen Modells, dargestellt in Figur 10. Dieses Modell ist ein planares Modell (d.h. die Auskleidungswandung ist als eine Ebene modelliert), definiert durch die Zementimpedanz Zce und die Auskleidungsdicke d mit der Spülungsimpedanz Zm und der Auskleidungsimpedanz Zp. Die Spülungsimpedanz Zm wird erhalten durch getrennte Eichung, und die Auskleidungsimpedanz Zp ist ein bekannter Wert. Widerstände R können dem Modell zugefügt werden, um Korrekturen vorzunehmen unter Berücksichtigung der Krümmung der Auskleidung, welche Widerstände auf Werte eingestellt werden, die definiert werden entsprechend dem Durchmesser der Auskleidung.
Die Reaktion des Modells auf einen Dirac-Impuls e wird bestimmt in dem Frequenzbereich mit dem Anfangswert für die Zementimpedanz Zce, erhalten aus der gemessenen Tiefe H der Resonanz durch Verwendung von Suchtabellen und dem Anfangswert der Auskleidungsdicke, erhalten aus der Zentralfrequenz F&sub0;. Dies liefert ein Impulsreaktionsspektrum des Modells.
Dieses Spektrum wird dann multipliziert mit dem Normalisierungsspektrum CW(ω), das repräsentativ ist für das Wandler-Spülungs- System zum Erhalten dessen, was als Wandler-Spülungs-Spektrum bezeichnet werden kann.
Das Verarbeitungsfenster wird dann in der Frequenzdomäne angewandt durch Faltung mit dem Wandler-Spülungs-Spektrum, und das Gruppenverzögerungsspektrum des gefalteten Signals wird berechnet.
Dieses Gruppenverzögerungsspektrum wird erneut normalisiert, wie oben beschrieben, durch Subtrahieren des linearisierten Gruppenverzögerungsspektrums des Normalisierungssignals von dem Gruppenverzögerungsspektrum des gefalteten Signals.
Das normalisierte Gruppenverzögerungsspektrum wird dann verwendet, um Modellwerte für die Parameter der Resonanz zu bstimmen, nämlich die zentrale Frequenz Fmod entsprechend dem Gruppenverzögerungsminimum τmid, identifiziert in dem Spektrum innerhalb des spezifizierten Frequenzbereichs, und der fraktionellen Bandbreite Bmod, erfaßt bei einem Pegel τmod = τmid + Δτ (wobei Δτ wie oben definiert ist). Diese Modellparamter werden verglichen mit den gemessenen Parametern. Aus dem Vergleich werden neue Schätzwerte für die Zementimpedanz und Auskleidungsdicke für eine zweite Iteration definiert. Die Iteration wird fortgesetzt, bis die Modellgruppenverzögerungsreaktion charakterisiert wird durch dieselben Parameter wie die gemessene Resonanz. Die Iteration kann ausgeführt werden durch die Newton-Raphson-Anpaßtechnik, die typischerweise nur drei Iterationen erfordert.
Das bei diesem Verfahren verwendete planare Modell ist ganz einfach und hat den Vorteil der Minimierung der Verarbeitungszeit.
Ein genaueres Modell, basierend auf der zylindrischen Geometrie der Auskleidung, könnte anstelle des planaren Modells verwendet werden. Ein solches zylindrisches Modell würde zusätzliche Parameter umfassen (Auskleidungsdurchmesser, Wandlerabmessungen, Wandlerversatz von der Bohrlochachse, Schallgeschwindigkeit in der Spülung).

Alternative Berechnungsverfahren

Andere Berechnungsverfahren können ins Auge gefaßt werden mit denselben grundlegenden Definitionen der Zeitfenster C(t) und P(t), wie oben spezifiert. Ein alternatives Verfahren besteht aus den folgenden Schritten:
Das gesamte Signal S(t) wird in die Frequenzdomäne vor irgendwelcher Fensterbildung umgesetzt. Das so erhaltene Spektrum S(ω) wird normalisiert durch das Spektrum CW(ω), erlangt durch das Eichsignal CW(t), wobei die normalisierte Amplitude das Verhältnis der Amplituden ist, und die normalisierte Phase die Differenz zwischen den Phasen.
Das Verarbeitungsfenster wird dann auf das normalisierte Spektrum in der Frequenzdomäne angewandt durch Faltung des normalisierten Spektrums mit dem Spektrum des Verarbeitungsfensters.
Das Gruppenverzögerungsspektrum wird dann berechnet aus dem Resultat der Faltung. Dies ermöglicht, die Resonanz wie oben beschrieben zu charakterisieren, indem die zentrale Frequenz, die Tiefe und die fraktionelle Bandbreite erhalten werden.
Unter diesem Gesichtspunkt ist es möglich, die Zementimpedanz und die Auskleidungsdicke durch direkte Berechnung zu bestimmen unter Verwendung von vorher erstellten Suchtabellen, welche diese Parameter mit Parametern in Beziehung setzen, welche die Resonanz charakterisieren. Ein anderer Ansatz besteht darin, das Modell wie oben definiert zu benutzen. Die Berechnungsschritte sind die oben erläuterten mit der Ausnahme, daß der Schritt der Normalisierung des Gruppenverzögerungsspektrums weggelassen werden kann.

Claims

1. Ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Kennwerts einer in einem Bohrloch zementierten Auskleidung, wie der Zementhaftung und der Auskleidungsdicke, aus einem reflektierten akustischen Signal S(t), gewonnen durch Richten eines akustischen Impulses mit im wesentlichen senkrechtem Auftreffen auf einen radialen Sektor der Wandung der Auskleidung, welcher Impuls Dickenresonanz innerhalb der Wandungen der Auskleidung stimuliert, umfassend die Schritte: Definieren eines ersten Zeitfensters entsprechend einem ersten Abschnitt des Signals S(t) einschließlich der anfänglichen Reflexion von der Auskleidung und nachfolgender akustischer Rückläufe infolge Resonanz, Definieren eines zweiten Zeitfensters entsprechend einem zweiten Abschnitt des Signals S(t), das nur die anfängliche Reflexion von der Auskleidung umfaßt, und Bestimmen des Auskleidungskennwerts aus Information bezüglich der Resonanz, enthalten in dem ersten Zeitfenster, während die Information normalisiert wird durch Information, enthalten in dem zweiten Zeitfenster.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zweite Zeitfenster so definiert ist, daß es das Amplitudenmaximum des Signals S(t) enthält.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Definition des ersten und des zweiten Zeitfensters die Schritte umfaßt der Bestimmung des Zeitpunkts, zu welchem das Amplitudenmaximum in dem Signal erscheint, welcher Zeitpunkt als Zeitursprung t&sub0; gewählt wird, und Definieren des ersten und des zweiten Zeitfensters auf der Basis dieses Zeitursprungs.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, bei dem für die Bestimmung des Zeitursprungs ein analytisches Signal Sa(t) des Ansprechens S(t) bestimmt wird, wobei das Amplitudenmaximum des analytischen Signals bestimmt wird, und der Zeitursprung t&sub0; als derjenige Zeitpunkt festgelegt wird, bei dem das Amplitudenmaximum in dem analytischen Signal Sa(t) auftritt.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das analytische Signal Sa(t) durch eine Hilbert-Transformation gewonnen wird.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das analytische Signal Sa(t) gewonnen wird durch Ausführen einer Fourier-Transformation, Filtern zum Eliminieren negativer Frequenzen aus dem Spektrum, und Ausführen einer weiteren Fourier-Transformation auf das Signal, wie es nach der Filterung erhalten wird.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Zeitursprung definiert ist durch Ausführung der folgenden Schritte: Extrahieren der Absolutwerte des Amplitudenmaximums in dem akustischen Signal und von zwei Extremwerten beidseits des genannten Maximums, Bestimmen eines Polynoms zweiten Grades, das auf diese drei Werte paßt, und Definieren des Zeitursprungs als der Zeitpunkt, bei welchem das Polynom bei einem Maximum liegt.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Zeitintervalle, die von den Zeitfenstern umspannt werden, definiert sind als Vielfache der Nominal-Resonanz-Periode der Auskleidung.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das zweite Zeitfenster auf den Zeitursprung t&sub0; zentriert ist und sich beidseits des Zeitursprungs über eine Zeitperiode erstreckt, die im Bereich von 1,5- bis 3-fachen der Nominal-Resonanz-Periode der Auskleidung liegt.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das erste Zeitfenster sich vor dem Zeitursprung t&sub0; über das 1,5- bis 3-fache der Nominal-Resonanz-Periode der Auskleidung erstreckt und nach dem Zeitursprung über das 6- bis 12-fache der Nominal-Resonanz-Periode.

11. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kennwert der Auskleidung bestimmt wird durch Kombinieren von Information, abgeleitet aus dem Frequenzspektrum des akustischen Signals S(t) innerhalb des ersten Zeitfensters, und Information, abgeleitet aus dem Frequenzspektrum des akustischen Signals S(t) innerhalb des zweiten Zeitfensters.

12. Ein Verfahren nach Anspruch 11, umfassend den Schritt der Bestimmung der Frequenzspektren des ersten Abschnitts des Signals S(t) bzw. des zweiten Abschnitts des Signals S(t), Normalisieren des Spektrums des ersten Abschnitts durch das Spektrum des zweiten Abschnitts und Charakterisieren aus dem normalisierten Spektrum die Resonanz der Auskleidung, wobei die Parameter der Resonanz indikativ sind für die Kennwerte der Auskleidung.

13. Ein Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Frequenzspektren Gruppenverzögerungs-Frequenzspektren sind.

14. Ein Verfahren für die akustische Untersuchung einer in ein Bohrloch zementierten Auskleidung, umfassend die Schritte des Gewinnens eines reflektierten akustischen Signals S(t) durch Richten eines akustischen Impulses bei im wesentlichen senkrechtem Auftreffen auf einen radialen Sektor der Auskleidungswandung, welcher Impuls Dickenresonanz innerhalb der Auskleidungswandungen stimuliert, Definieren eines ersten Zeitfensters entsprechend einem ersten Abschnitt des Signals S(t) einschließlich der Anfangsreflexion von der Auskleidung und nachfolgende akustische Rückläufe infolge Resonanz, Definieren eines zweiten Zeitfensters entsprechend einem zweiten Abschnitt des Signals S(t), der nur die anfängliche Reflexion von der Auskleidung umfaßt, und Bestimmen zumindest eines Kennwertes bezüglich der Auskleidung aus Information bezüglich der Resonanz, enthalten in dem ersten Zeitfenster, während die Information normalisiert wird durch Information, enthalten in dem zweiten Zeitfenster.

15. Eine Vorrichtung für die akustische Inspektion einer in ein Bohrloch zementierten Auskleidung, umfassend eine in dem Bohrloch verlagerbare Sonde, die Wandlermittel enthält für das Gewinnen eines reflektierten akustischen Signals S(t) durch Richten eines akustischen Impulses bei im wesentlichen senkrechtem Auftreffen auf einen radialen Sektor der Auskleidungswandung, welcher Impuls Dickenresonanz innerhalb der Auskleidungswandungen stimuliert, und Signalverarbeitungsmittel für die Ausführung der Schritte der Definition eines ersten Zeitfensters entsprechend einem ersten Signalabschnitt S(t) einschließlich der Anfangsreflexion von der Auskleidung und nachfolgender akustischer Rückläufe infolge Resonanz, Definieren eines zweiten Zeitfensters entsprechend einem zweiten Abschnitt des Signals S(t), das nur die Anfangsreflexion von der Auskleidung enthält, und Bestimmen mindestens eines Kennwerts bezüglich der Auskleidung aus Information bezüglich der Resonanz, enthalten in dem ersten Zeitfenster, während diese Information normalisiert wird durch Information, enthalten in dem zweiten Zeitfenster.