DE69108959T2

DE69108959T2 - Ultraschallabtastung eines Bohrloches.

Info

Publication number: DE69108959T2
Application number: DE69108959T
Authority: DE
Inventors: Mark D Zimmer
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1991-02-21
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2011-02-22
Also published as: EP0443858A3; US4999817A; CA2036848C; CA2036848A1; EP0443858A2; DE69108959D1; EP0443858B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallabtasten eines Bohrlochs, und insbesondere die Verwendung eines Bohrlochmeßgeräts, einschließlich eines rotierenden Sende-Empfangs-Wandlers
Es ist bekannt, Ultraschallmeßgeräte mit rotierendem Meßwandler in einer Sonde zu benutzen, um Ultraschallabtastung eines Bohrlochs durchzuführen. Das Ultraschallprüfgerät bildet eine Ultraschallwelle, die von der Sonde gerichtet übertragen und als Echo rückgeführt und ermittelt wird. Besonders in einem offenen Loch (mit Bezug auf ein unverrohrtes Bohrloch) kann das Gerät unwahrscheinlich viele Daten generieren, wobei die Daten von dem Gerät zur Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von circa 1,5 Megabyte pro Sekunde fließen. Ein typisches gegenwärtiges Ultraschallgerät aktiviert wiederholt, und jeder Impuls wird beim Auslösen azimutal unterschiedlich von dem durch das Gerät vorher übertragenen Impuls gerichtet. Es gibt eine Wartepause, während das Ultraschallecho am Meßwandler rückempfangen wird, der sowohl zum Senden als auch zum Empfang benutzt wird. Das Bohrloch wird durch ständige Rotation des Meßwandlers geprüft, der auf Impulsbetriebsart betrieben wird. Zur Zeit ist ein Bild bei einem Senkrechtabstand von einem Zoll (25,4 mm) erhältlich und nachfolgende Impulse können sogar in einem Abstand von circa einem Grad Azimutalrotation angeordnet werden. Tatsächlich kann sogar ein noch engerer Impulsabstand erreicht werden.
Während jeder Sendeimpuls gebildet wird, kann der Impuls selbst als Zeitmarke benutzt werden, die als Bezugnahme dient, und es wird auch eine Peakhöhe festgestellt. Das Empfängersystem muß unter Verwendung eines Regelverstärkers dynamisch reagieren und das empfangene Signal handhaben. Das empfangene Signal klingt über mehrere Größenordnungen ab. Das Empfangsgerät muß ein automatisches Schwundausgleichssystem aufweisen, so daß das Empfangsgerät nicht übersteuert wird, oder es gehen sonst die Daten verloren, weil das Empfangsgerät unzureichende Verstärkung vorsieht. In anderen Worten, die Verstärkung des Empfängers muß für den Augenblick geeignet sein; und diese Verstärkung ist typischerweise in Form eines abklingenden Verstärkungskorrekturfaktors oder eines abklingenden automatischen Schwundausgleichssignals. Beispielsweise wird nur wenige Mikrosekunden nach Sendung des Ultraschallimpulses der Regelverstärker geschaltet, so daß die Verstärkung gering ist, weil das Rückführsignal ziemlich stark ist. In anderen Fällen kann das Rückführsignal ziemlich schwach und um einige Größenordnungen kleiner sein. Die Verstärkungskurve kann auch als Exponentialgröße abklingen. Dieses Steuersignal des automatischen Schwundausgleichs muß an einem Regelverstärker in der Empfängerschaltung angewandt werden, um für Verstärkungsregelung des Empfängers zu sorgen.
Obwohl eine verallgemeinerte Verstärkungsregelungskurve des automatischen Schwundausgleichs ausgearbeitet werden kann, ergibt dies nicht genügend Information. Es kann zum Beispiel einen senkrechten Riß oder Spalt neben dem Bohrloch geben, der dann bei einigen Umdrehungen aufgezeigt wird, während das Gerät sich im Bohrloch aufwärts bewegt. Dies wird ein ziemlich starkes Signal an irgendeinem Punkt während der Abklingkuve verursachen. Falls die Verstärkungsregelung übermäßig reagiert, kann der hohe Gipfel völlig unterdrückt werden und wird daher nicht genügend verstärkt. Dies ist ein unerwünschtes Ergebnis. Andererseits kann, falls der Regelverstärker träge reagiert, der Verstärker bis zur Sättigung übersteuert werden. Der Verstärker in dem Empfänger muß daher mit geeigneter Verstärkungsregelung während der Reaktionszeit nach Aktivierung des Meßwertgebers versehen sein.
Als allgemeine Maßnahme kann, falls die Lithographie des Bohrlochs bekannt ist, die automatische Schwundausgleichsverstärkung im voraus gestaltet werden. Falls zum Beispiel bekannt ist, daß das Ultraschallprotokoll in einer Sandformation, im Gegensatz zu Kalkstein, aufgenommen wird, ist die allgemeine Leistung und Reaktion des Systems bekannt. Zu diesem Zweck kann eine Vorprogrammierung nützlich sein, um Übersteuerung oder Untersteuerung des Empfängersystems zu vermeiden. Programmierung wird keine Signaldynamik der eingangs beschriebenen Art erfassen.
Verschiedene Verfahren des automatischen Schwundausgleichs, die für Tieflochmessung geeignet sind, wurden bereits auf dem Fachgebiet vorgeschlagen. Zum Beispiel offenbart US-A-4027281 einen Geschwindigkeitsseismik-Bohrlochlogger, der in verschiedenen Bohrlochtiefen erzeugte seismische Impulse erfaßt, verstärkt und digitalisiert. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers wird abgeglichen, da sich die Amplitude der Empfangssignale mit dem Ziel ändert, die verstärkten Signale innerhalb bestimmter Grenzen zu halten, um für optimale spätere Handhabung zu sorgen.
US-A-4837753 offenbart eine Bohrlochmeßvorrichtung mit einer rotierenden Sonde, die mehrere Schallimpulse pro Umdrehung überträgt. Echosignale werden verstärkt und der Verstärkungsgrad des Verstärkers wird durch einen Mikrocomputer gesteuert. Der Mikrocomputer kann so programmiert werden, daß die Verstärkung entsprechend gewisser Kriterien abgeglichen wird, die im einzelnen nicht beschrieben sind.
US-A-4807167 offenbart ein Verfahren des digitalen automatischen Schwundausgleichs mit dem Ziel, hohe Geschwindigkeit durch Vermeiden von Multiplikation oder Addition von Daten zu erreichen.
US-A-4727521 offenbart einen seismischen Verstärker mit automatischem Schwundausgleich, wobei nach dem ersten Abtasten Verstärkung von dem zuvor empfangenen Signal bestimmt wird.
GB-A-2198233 offenbart einen Bohrloch-Logger, in dem Verstärkung entsprechend der Laufzeit des übertragenen Signals durch die Flüssigkeit im Bohrloch abgeglichen wird.
Wir haben jetzt einen unterschiedlichen Weg gefunden, das Problem der Verstärkerregelung bei automatischem Schwundausgleich in Ultraschall-Bohrlochmeßgeräten der beschriebenen Art zu behandeln. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Prüfung entlang eines Bohrlochs vorgesehen, mit:
einem auf einer kabelgestützten Sonde montierten Meßwandler zum Bewegen entlang eines Bohrlochs;
Abtastmitteln zum Erfassen von Bohrlochrückführungen, die den von diesem Meßwandler erzeugten Impulsen entsprechen;
einem Regelverstärker, der mit diesen Abtastmitteln verbunden ist, um eine Vielzahl verstärkter Ausgangssignale zu bilden, die diesen Bohrlochrückführungen entsprechen;
einem Analog-Digital-Umsetzer zum Umwandeln dieser Vielzahl verstärkter Ausgangssignale in eine Vielzahl digitaler Ausgangssignale; und
einer Zentraleinheit, die an diesem Analog-Digital- Umsetzer angeschlossen ist, wobei diese Zentraleinheit ein korrektives Verstärkungssteuersignal für jedes dieser digitalen Ausgangssignale entwickelt;
dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler ein Ultraschallwandler ist und die Vorrichtung ferner umfaßt:
ein an diesem Ultraschallwandler angeschlossenes Meßwertgebersteuermittel zum Erzeugen einer Vielzahl von Ultraschallimpulsen während einer einzigen Drehung dieses Meßwandlers, wobei jeder dieser Impulse einem Bohrlochabschnitt entspricht;
Speichermittel für diese Zentraleinheit, um eine Vielzahl von Verstärkungssteuersignalen an Adressen zu speichern, die jeweils einem Bohrlochabschnitt entsprechen; und
Mittel zum Vorsehen von mindestens einem dieser gespeicherten Verstärkungssteuersignale aus diesen Speichermitteladressen an diesen Regelverstärker für jeden dieser Bohrlochabschnitte während einer sukzessiven Rotation.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Abtasten von Formationen entlang eines Bohrlochs vor, einschließlich:
Übertragung von Impulsen von einem im Bohrloch befindlichen Meßwandler;
Empfang eines Echos während eines gewählten Intervalls an dem Meßwandler nach Übertragung des Impulses;
Verstärkung des empfangenen Meßwandlersignals durch einen Regelverstärker;
Umwandlung der verstärkten Meßwandlersignale in Digitalsignale;
Entwicklung korrektiver Verstärkungssteuersignale auf der Grundlage jedes dieser Digitalsignale; und
Einstellung der Verstärkung dieses Regelverstärkers auf der Grundlage vorher entwickelter Verstärkungssteuersignale;
dadurch gekennzeichnet, daß die übertragenen Impulse Ultraschallimpulse sind, die von einem Ultraschall-Meßwandler erzeugt werden;
der Meßwandler rotiert wird und eine Vielzahl von Impulsen während jeder Drehung des Meßwandlers erzeugt wird, wobei jeder der Impulse einem Bohrlochabschnitt entspricht;
die korrektiven Verstärkungssteuersignale in Speichermitteln an Adressen gespeichert werden, die den jeweiligen Bohrlochabschnitten entsprechen; und
mindestens eines dieser gespeicherten Verstärkungssteuersignale aus diesen Speichermitteln diesem Regelverstärker für jeden dieser Bohrlochabschnitte während einer sukzessiven Drehung zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, daß weitreichende Signale gebildet und insbesondere ein Steuersystem des automatischen Schwundausgleichs vorgesehen wird, das eine größenbestimmte oder angepaßte Steuerkurve des automatischen Schwundausgleichs erzeugt, welche die aufgetretenen Wechselfälle der Formation und auch die von der vorangegangenen vollen Umdrehung des Ultraschallwandlers erhaltenen Daten berücksichtigt. Im letzteren Fall wird angenommen, daß aufeinanderfolgende Umdrehungen in etwa die gleiche Datendynamik ergeben. Präzise Identität ist nicht erforderlich; die Bereitstellung eines Steuersignals des automatischen Schwundausgleichs, das durch die vorangegangene Umdrehung geformt wird, ist jedoch nützlich. Eine Umdrehung verursacht jedoch typischerweise mehrfache Impulse. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Impuls-Identifizierungsnummer ohne weiteres als Digitalwort unter Verwendung des Binärsystems behandelt.
Dementsprechend wird die volle Umdrehung (der Rotation) idealerweise in 256 oder 512 Inkremente aufgeteilt. Letztere ergeben ein feineres Meßniveau oder Wiedergabeschärfe. Für jede der 256 oder 512 Winkelpositionen wird ein Meßgeberimpuls erzeugt und eine Steuerkurve des automatischen Schwundausgleichs vorgesehen. Eine Umdrehung (256 oder 512 Impulse) wird als A Umdrehung bezeichnet. Die nächste oder B Umdrehung dient als gutes Modell für die Verstärkung jedes Impulses der folgenden oder nächsten Undrehung. In anderen Worten, das automatische Schwundausgleichssignal für jeden Impuls in einer Umdrehung wird gespeichert und als Modell für die Verstärkung des Regelverstärkers während der nächsten Umdrehung benutzt. Während es Differenzen von einer Umdrehung zur nächsten geben wird, baben die Verstärkungsanweisungen und Sequenz für jeden der Impulse in einer gegebenen Umdrehung im allgemeinen tatsächlich große Ähnlichkeit mit denen der vorangegangenen Umdrehung. Wie noch zu erklären ist, dient für einen bestimmten Impuls in einer bestimmten Umdrehung das automatische Schwundausgleichssignal der vorangegangenen Umdrehung als nützliche und wertvolle Voraussage für die Steuerung des automatischen Schwundausgleichs in der nächstfolgenden Umdrehung bei diesem bestimmten Impuls. In abwechselnden Ausführungsbeispielen können die vorherigen N Einstellwerte des automatischen Schwundausgleichs (N ist eine Ganzzahl) benutzt werden, um einen Durchschnittswert zu erhalten.
Die vorliegende Vorrichtung wird daher als ein rotierender Ultraschallwandler zusammengefaßt, der mit einem Meßwertgeber zum periodischen Aktivieren verbunden ist. Er wird durch eine von einem Meßwertgeber an ihn gerichtete Folge von Aktivierungsimpulsen ausgelöst. Der Meßwertgeber ist getaktet und arbeitet somit in einer zeitlich gesteuerten Reihenfolge. Eine volle Umdrehung ist in eine spezifizierte Anzahl von Sendeimpulsen, wie 512, unterteilt. Diese sind in gleichmäßigen Zeitabständen angeordnet, so daß sie in gleichmäßig angeordneten Winkel- oder Rotationsinkrementen übertragen werden. Mit jeder Rotation des Meßwandlers bildet er zur Aktivierung gehörende Impulse. Dieses ermöglicht Synchronisation des späteren Betriebs. Der Ultraschallwandler wird sowohl zum Senden als zum Empfangen benutzt und das Empfangssignal ist das Rückführecho, das nach Übertragung in die neben dem Bohrloch gelegenen Formationen an den Meßwandler zurückgeleitet wird. Das Empfangssignal klingt normalerweise nach einer Zeitspanne ab. Ein automatisches Schwundausgleichssignal wird vorzugsweise zur Steuerung eines Regelverstärkers benutzt, der mit dem Meßwandler verbunden ist und während des Empfangsbetriebs betrieben wird. Der Empfänger ist somit während der Aktivierung des Meßwertgebers ausgetastet oder ausgeschaltet und wird danach nach einem Intervall eingeschaltet, um das Schallsignal aus der Formation zu empfangen. Dieses Schallsignal wird empfangen und digitalisiert. Dies erzeugt eine erstaunlich große Datenmenge, typischerweise circa 1,5 Megabyte-Daten pro Sekunde. Die Schaltanordnung schließt daher einen Regelverstärker ein, der an einem synchronisierten Analog-Digital-Umsetzer (ADU) angeschlossen ist und dadurch erfolgt die Ausgabe, die einer Zentraleinheit zugeführt wird, damit sie formattiert und zur Oberfläche übertragen werden kann. Die Zentraleinheit ist mit dem Rotor synchronisiert, so daß der präzise Schritt in einer Umdrehung für jeden Puls identifiziert wird. Zusätzlich gibt es doppelte A und B Drehsignalpuffer. Während einer mit Daten geladen wird, werden die Daten in dem anderen benutzt und dann tauschen sie Funktionen aus. Daher wird jeder geladen und jeder für alternierende Umdrehungen des Meßwandlers benutzt. Angenommen, der Meßwertgeber wird 512 mal pro Umdrehung aktiviert, dann werden 512 Adressen in jedem der zwei Puffer benötigt. Das Steuersignal des automatischen Schwundausgleichs ist Eingabe für jedes der 512 Pulsereignisse. Es wird in einem der Puffer gespeichert, während der andere Puffer benutzt wird. In anderen Worten, es werden 512 automatische Schwundausgleichssignale für eine Umdrehung in einen der Puffer in Diginalform geschrieben und danach findet die nächste Umdrehung statt, während die nächsten 512 automatischen Schwundausgleichssignale in diesen Puffer geschrieben werden. Wie ersichtlich ist, werden die Daten zuerst in dem einen, dann in dem anderen Puffer benutzt. Nehmen wir beispielsweise an, daß Impuls 369 in einer ersten Umdrehung einer bestimmten Verstärkung für das Regelverstärkersystem zugeordnet ist. Bei der nächsten Umdrehung bewirkt Impuls 369 Abfrage der Daten aus der vorhergehenden Umdrehung an der gemeinsamen Impulsspeicherstelle, um die für die bestimmte Verstärkungseinstellung repräsentativen Digitalwörter zu erhalten; dies verwendet die der vorhergehenden Umdrehung entsprechenden Daten als Format für eine nachträglich eintretende Übertragung. Das Gerät ist eindeutig in der Lage, die zwei Puffer zu benutzen, um zuerst eine Umdrehung, dann die nächste zu speichern, wobei zwischen den beiden Puffern hin- und hergeschaltet wird. Die Datenausgabe verwendet im Bohrloch eine Zentraleinheit, die sowohl die gemessene Empfangsspannung als auch das für die vorhergehende Umdrehung charakteristische Digitalwort formattiert, um Speicherung sicherzustellen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beigefügte Zeichnung mit einer Figur Bezug genommen, die ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Steuersystems des automatischen Schwundausgleichs gemäß der Erfindung für eine Ausbildungsform des Ultraschall- Bohrlochmeßgeräts mit rotierendem Meßwandler gemäß der Erfindung darstellt, das einen Verstärkungsregelungspuffer einschließt und abwechselnd Vollumdrehungspuffer zum Speichern von automatischen Schwundausgleichswerten zur Benutzung in nachfolgenden Umdrehungen des in der Sonde befindlichen Meßwandlers benutzt.
Die Zeichnung mit einer Figur zeigt eine Sonde 10, die an einem Bohrlochmeßkabel 12 befestigt ist, das einen oder mehrere elektrische Leiter einschließt. Die Sonde 10 besteht aus einer Schale oder Gehäuse, das darin verschiedene Bestandteile einschließt, die in ein Bohrloch 14 herabgelassen werden. Das Bohrloch kann entweder ein offenes Loch, oder verrohrt oder beides sein. Typischerweise wird die Sonde zur Bohrlochsohle herabgelassen und dann an dem Bohrlochmeßkabel geborgen. Das Bohrlochmeßkabel schließt mehrfache elektrische Leiter ein, um die Signale aus der Sonde 10 zu der an der Oberfläche befindlichen Ausrüstung zu übertragen. Das Bohrlochmeßkabel ist mehrere tausend Fuß lang (1000 Fuß sind 305 m), wird über eine Seilscheibe 16 geführt, die sich über dem Bohrlochkopf befindet, und erstreckt sich zu einer Lagerspule oder Trommel 18. Die mehreren Leiter in dem Bohrlochmeßkabel sind mit einem Datenaufbereitungs- und Steuersystem 20 verbunden, welches die an der Oberfläche befindliche Ausrüstung einschließt. Diese Daten werden einem Rekorder 22 zugeführt. Die Daten werden als eine in der Tiefe des Bohrlochs stattfindende Funktion aufgezeichnet. Dies wird an dem Rekorder durchgeführt. Der Rekorder 22 wird mit einem Eingangssignal von einem elektrischen oder mechanischen Tiefenmeßsystem 24 versehen, das durch die Bewegung der Seilscheibe 16 betrieben wird.
Gewöhnlich wird die Sonde 10 zur Bohrlochsohle herabgelassen und dann geborgen, während sie bei ihrer Aufwärtsbewegung Daten aufschreibt. Dieses sorgt für Aufwärtsbewegung mit spezifizierter Geschwindigkeit, und Daten werden während der Bergung erstellt. Die Ultraschallmeßvorrichtung enthält innerhalb der Sonde ein Telemetriesystem 30, das mit einem oder mehreren Leitern in dem Kabel 12 verbunden ist, um einen Ausgangsdatenfluß vorzusehen. Ein Systemtaktgeber 32 ist mit dem telemetrischen Gerät und dem Meßwertgeber 34 verbunden. Der Taktgeber ist auch mit anderen Gliedern verbunden, wie an verschieden Stellen der Schaltung gezeigt wird. Der Meßwertgeber 34 erzeugt Ausgangsimpulse in periodischen Abständen. Typischerweise geschieht dies in Form eines Ausgangsimpulses, der von dem Meßwertgeber 34 an einen Ultraschallwandler 36 abgegeben wird. Der Ultraschallwandler wird als Sender und als Empfänger benutzt. Er dient als Antenne, die bewirkt, daß sich ein Ultraschallimpuls von der Sonde nach außen verbreitet. Gleichzeitig dient er als Empfangsantenne, um Reflektionen von den angrenzenden Formationen zu empfangen. Dementsprechend wird er als Empfänger impulsbetrieben, und der Meßwertgeber wird ausgeschaltet, während der Empfänger eingeschaltet ist. Nach einem Intervall wird das Rückführsignal durch den als Empfänger funktionierenden Meßwandler gebildet. Das System wird betrieben, so daß ein Sendeimpuls zur Übertragung entlang einer bestimmten Azimutallinie gebildet werden kann. Der nächste Impuls wird zur Übertragung entlang der nächsten und unterschiedlichen Azimutallinie gebildet. Zu diesem Zweck wird der Meßwandler mittels eines Rotors gedreht, der mit einem Rotor und angeschlossenem Sensor 38 in Verbindung steht. Der Rotor und Sensor werden vorzugsweise schrittweise betrieben. Das heißt, die für eine einzelne Umdrehung benötigten 360º werden in Inkremente oder Schritte aufgeteilt. Während der Umlaufkreis in eine beliebige Zahl, wie 360 Schritte pro Umlaufbewegung, aufgeteilt werden kann, ist es wünschenswert, daß die Schritte größenmäßig übereinstimmen und von einer spezifizierten Anzahl sind. In den bevorzugten Ausbildungsformen kann dieses beispielsweise 256 Schritte betragen. Die bevorzugte Zahl ist 512 Inkremente. Daher stellt jeder Schritt der Rotationsbewegung einen Winkel von 360º/512 oder jeder Inkrementalschritt 0,703º dar. Die Zahlen 256 und 512 sind Vielfaches von zwei und lassen sich leicht als Binärdaten codieren.
Angenommen, daß eine Umdrehung pro Sekunde erfolgt, dann bedeutet dies, daß es einen Abstand von circa 1.936 Mikrosekunden von Meßgeberimpuls zu Meßgeberimpuls gibt. Um zu vermeiden, das nachstehend beschriebene Regelverstärkersystem zu sprengen, gibt es eine Austastschaltung 40, die durch den Taktgeber 32 getastet wird, und die den angeschlossenen Schaltkreis austastet. Der Zweck dieser Austastung ist, zu vermeiden, daß der Regelverstärker während der Bildung des Sendeimpulses zur Sättigung getrieben wird. In dem vorangegangenen Beispiel, in dem der Impulsabstand 1.936 Mikrosekunden beträgt, verhindert die Austastschaltung den Meßwandler-Empfänger-Betrieb für einige ausgewählte Mikrosekunden, wobei der Rest der 1.936 Mikrosekunden danach zur Datenerfassung zur Verfügung steht. In diesem Intervall verbreitet sich der übertragene Ultraschallimpuls von dem Meßwandler 36 nach außen und bildet ein Echo, das rückgeführt wird. Es versteht sich, daß das Intervall für verschiedene Intervalle justiert werden kann. Da auf jeden Fall eine Notwendigkeit zum Austasten des Systems besteht, wird der Austastschaltkreis 40 für eine spezifizierte Zeit und ein ausgewähltes Interval betrieben, um sicherzustellen, daß kein Signal durchgelassen wird. Wenn das Intervall austaktet, werden Echos am Meßwandler (ein reflektiertes Signal) durch den Meßwandler 36 umgewandelt und an das noch zu erläuternde Regelverstärkersystem weitergegeben.
Es wird wieder eine Beispielszeit benutzt, in der die Empfangsschaltung für 136 Mikrosekunden ausgetastet wird, wobei zusätzliche 1.800 Mikrosekunden bis zum nächstfolgenden Impuls verbleiben; das empfangene Signal wird während dieses Intervalls verstärkt. Das Empfangssignal kann durch Abtasten und Halten auf Spitzenwert gemessen werden; es kann auf Dämpfung gemessen werden oder es kann zu mehreren Zeiten vor dem nächsten Meßgeberimpuls abgetastet werden. In anderen Worten, das Regelverstärkersystem wird zum Messen von einer oder mehreren Abtastungen pro Meßgeberimpuls betrieben. Der Regelverstärker 42 ist mit einem im folgenden erläuterten Verstärkungssteuersignal versehen. Er bildet eine Analogausgabe (z.B. Gipfelspannung), die an einem Anlog-Digital-Umsetzer angewandt wird, der ein Digitalwort bildet, das den Analogwert der Spitze darstellt, und dieses Digitalwort wird einer Zentraleinheit 48 zugeführt. Das System enthält ferner einen Verstärkungsregelungspuffer 50 zum Festhalten einer Verstärkungsregelungseinstellung in Form eines Mehrfach-Bit Digitalwortes. Dieses wird nachfolgend ausführlich beschrieben. Zusätzlich gibt es separate und doppelte Puffer. Sie sind einfach mit A und B Drehpuffer 52 und 54 bezeichnet. Sie funktionieren auf alternierende Weise für wechselweise Umdrehungen des Meßwandlers.
Die Zentraleinheit 48 empfängt Befehle von der Oberfläche und sendet Digitaldaten zurück zur Oberfläche. Dies alles funktioniert durch Verbindung mit dem Telemetriesystem 30, so daß die Signale auf dem Bohrlochmeßkabel 12 vorgesehen werden können, das die erforderlichen elektrischen Leiter einschließt.

REPRÄSENTATIVE BETRIEBSFOLGE

Erstens, eine Umdrehung wird vorzugsweise als 512 Azimutal-Inkremente bestimmt, die leicht als ein Neun-Bit-Wort (ungeachtet der Zeichen- und Paritätsbits) dargestellt werden kann. Nach jedem Meßwertgeber-Impuls, gefolgt von dem Austastbetrieb für eine exemplarische Zeit von circa 136 Mikrosekunden, wird das Empfangssignal abgetastet oder gemessen. Dieses sieht einen spezifischen Abtastsatz vor. Für jeden übertragenen Impuls wird der Regelverstärker 42 mit einem nachfolgend gelieferten Verstärkungsregelungs-Digitalwort versehen. Diese Wörter sehen Verstärkungsregelungseinstellungen vor. Die Verstärkung muß aus zwei Gründen variiert werden. Erstens, der Schallimpuls kann auf eine Leere oder einen Raum treffen, der den Schallimpuls vollständig absorbiert und ein ungewöhnlich kleines Rückführecho erzeugt. Dieses ergibt einen sehr kleinen Empfangssignalgipfel. Zweitens, die Verstärkung klingt typischerweise über eine Zeitperiode und verschiedene Größenordnungen ab, während das Empfangsecho an dem Empfänger erstirbt. In anderen Worten, die Verstärkung des abgleichbaren Verstärkers 48 muß sich erheblich erhöhen, da die Verstärkung dadurch um verschiedene Größenordnungen während des Intervalls erhöht wird. Die erforderliche Verstärkungseinstellung wird abgeglichen, um dem breiten Bereich der Empfangssignale zu entsprechen. Die Verstärkungseinstellung wird auf eine der nachfolgend erläuterten, verschiedenen Weisen geschaffen.

VERSCHIEDENE VERSTÄRKUNGSEINSTELLUNGSVERFAHREN

Angenommen, daß nur eine Peakhöhe des Echos gewünscht wird. Desweiteren davon ausgehend, daß die vorangegangene Umdrehung auf ein starkes Spitzenrückführsignal traf. Diese vorhergehende Umdrehung (in 512 Ereignisse unterteilt) dient als Modell für die nächste Meßwandlerumdrehung, so daß die 512 Verstärkungseinstellungen für die nächsten 512 Impulse von den Einstellungen des automatischen Schwundausgleichs der vorangegangenen Umdrehung begleitet werden. Von einer anderen Betriebsart ausgehend, in der das automatische Schwundausgleichssignal den Verstärker während eines Intervalls steuern muß, in dem das Empfangssignal um einige Größenordnungen abklingt. In diesem Fall muß die Verstärkung um eine Größenordnung zunehmen, die durch das Eingangssignal des automatischen Schwundausgleichs signalisiert wird. Diese Verstärkungsregelungs-Signaleingabe an den automatischen Schwundausgleich 42 wird auffolgende Weise erreicht. Wieder davon ausgehend, daß das System für eine erste Umdrehung betrieben wird, so bedeutet es, daß 512 Meßgeberimpulse geschaffen werden. Diese Meßgeberimpulsereignisse werden in dem A Puffer 52 gespeichert. Für jeden Meßgeberimpuls gibt es mehrfache Steuereinstellungen für den automatischen Schwundausgleich, um das Abklingsignal zu verstärken. Die mehrfachen automatischen Schwundausgleichswerte werden in Reihenfolge gespeichert. Falls der automatische Schwundausgleich nach dem Übertragen mit vier Einstellungen versehen wird, kann man annehmen, daß das Empfangssignal mit exponentieller Geschwindigkeit erstirbt. Beispielsweise kann die Einstellung des automatischen Schwundausgleichs während der vier Schritte um das Eintausendfache abgeglichen werden. In anderen Worten, der automatische Schwundausgleich wird circa um 10³ abgeglichen. Jede automatische Schwundausgleichseinstellung kann in Form von Mehrfachbit-Digitalwörtern codiert werden. Das Mehrfachbitword stellt daher die gespeicherte Verstärkung für den Puffer 50 dar. Zur Vereinfachung der Erläuterung wird angenommen, daß der Regelverstärker 42 einer bei dem ersten Abtasten des Empfangssignals ist. Es wird davon ausgegangen, daß die nächste Abtastverstärkung achtfach, und die nächste 128fach ist. Diese Reihenfolge kann mit den erforderlichen Schritten bis zu einer endgültigen relativen Verstärkung erfolgen, die verglichen mit einer Verstärkung für die erste Abtastung viel größer ist.
In allen Fällen wird der automatische Schwundausgleich mit einem Verstärkungssteuersignal aus dem Verstärkungsregelungspuffer 50 versehen. Dieses Signal wird von dem Puffer 50 dem automatischen Schwundausgleich 42 zugeführt, um die Verstärkung einzustellen. Das automatische Schwundausgleichssignal ist natürlich auch Eingabe an die Zentraleinheit. Es wird davon ausgegangen, daß das empfangene, durch den Analog-Digital-Umsetzer 44 digitalisierte Ausgangssignal sich innerhalb akzeptierbaren oberen und unteren Grenzen befindet. In diesem Fall war das Verstärkungssteuersignal für diese bestimmte Digitalisierung akzeptabel. Falls der Analog-Digital-Umsetzer ein Signal ausgibt, das zu klein ist, war die Verstärkungseingabe für diese bestimmte Digitalisierung zu klein und der automatische Schwundausgleich 42 wurde mit unzureichender Verstärkung versehen. Die Worteingabe aus dem Puffer 50 an die Zentraleinheit bedeutete in diesem Fall zu wenig Verstärkung; die Zentraleinheit inkrementiert daher dieses Steuerwort durch Erhöhung der geeigneten zusätzlichen Verstärkung, damit der Analog-Digital-Umsetzer funktioniert, so daß sich das verstärkte Signal innerhalb der für den Analog-Digital-Umsetzer aufgestellten, gewünschten und akzeptablen Grenzen befindet. Betrachten wir ein Betriebsbeispiel. Nehmen wir in einem Fall an, daß die Verstärkung 1.024 beträgt und die Ausgabe des Analog-Digital-Umsetzers etwas zu klein ist. In dem Fall wird die Zentraleinheit 48 die gespeicherte Verstärkung auf 2048 abgleichen. Ein Digitalwort, das eine Verstärkung von 2.048 repräsentiert, wird daher erzeugt und dem Puffer zur Speicherung zugeführt. Praktisch gesehen, sind die Puffer 50, 52 und 54 typischerweise ausgewählte Bereiche innerhalb eines großen Pufferspeichers. Der Speicher wird in den auf der Zeichnung angezeigten, geordneten und mit Adressen versehenen Abschnitten adressiert. Die Puffer können daher so geordnet werden, daß Verstärkungsinformation in den geordneten Adressen gespeichert wird.

VERSCHIEDENE ABLAUFFOLGEN DER STEUERUNG DES AUTOMATISCHEN SCHWUNDAUSGLEICHS

In einer Routine der Speicherfolge werden die Puffer 52 und 54 für alternierende Umdrehungen benutzt. Nehmen wir an, daß einer der beiden Puffer mit den 512 Wörtern belegt ist, die 512 Verstärkungseinstellungen für den automatischen Schwundausgleich 42 repräsentieren. Während dieser Puffer zur Verwendung während der nächstfolgenden Umdrehung belegt wird, kann der andere der zwei Puffer als leer behandelt werden (Daten in jedem Puffer werden während einer Umdrehung aufgezeichnet, in der nächsten benutzt und dann gelöscht oder überschrieben). In diesem Beispiel wird angenommen, daß die erste Umdrehung in dem A Puffer aufgezeichnet wurde. Das Verstärkungsniveau (alle 512 Einstellungen) werden als Prototyp zur Steuerung des automatischen Schwundausgleichs 42 benutzt. Dieses sieht sequentiell die für den Betrieb des Verstärkers 42 notwendigen Einstellungen vor. Während der zweiten Umdrehung wird die Zentraleinheit Verstärkungseinstellungen liefern, die aus dem Speicher empfangen und auch entsprechend abgeglichen wurden, wie vorstehend beschrieben. Die Verstärkungseinstellungen der zweiten Umdrehung werden dann in den B Puffer eingegeben. Sie werden unter Bezugnahme auf alle 512 Einstellungen dieses Beispiels gespeichert. Für die alternierende Umdrehung werden die Verstärkungseinstellungen aus dem B Puffer für den Verstärkungsregelungspuffer 50 benutzt. Der Puffer 52 wird daher zur Speicherung der Daten aus jeder anderen Umdrehung benutzt, während der Puffer 54 die Daten für die alternierenden Umdrehungen speichert. Die Daten aus einer vorhergehenden Umdrehung werden bei der nächsten Umdrehung benutzt. Durch diese Reihenfolge und unter Berücksichtigung der großen Ähnlichkeit von Umdrehung zu Umdrehung werden daher die Verstärkungssteuersignale für den automatischen Schwundausgleich 42 vorgesehen, und zwar mit der großen Wahrscheinlichkeit, daß die Verstärkungseinstellung korrekt ist, um sicherzustellen, daß das Ausgangssignal innerhalb der annehmbaren Grenzen liegt.
Die vorstehende Reihenfolge wird für jede Umdrehung benutzt. Für diesen Zweck liefert der Taktgeber vorzugsweise einen Impuls, der den Beginn jeder Umdrehung anzeigt, so daß die Einrichtung geschaltet werden kann, wobei der nächste Satz der Verstärkungsregelungswörter in die richtigen Adressen für die zwei Puffer 52 und 54 geschrieben wird. Verstärkungsregelungswörter werden in einem Puffer gespeichert, und dann im nächsten, und dann im ersten. Die sequentielle Betriebsart gewährleistet korrekten Betrieb der puffergespeicherter Steuersignale des automatischen Schwundausgleichs. Es werden Abgleichungen vorgenommen, um Signalabnormalitäten zu berücksichtigen, die auftreten können und sich aus einem Senkrechtspalt oder Hohlraum in der Formation ergeben. Auf jeden Fall ermöglicht der sequentielle Betrieb der in alternierenden Puffern zyklisch gespeicherten Verstärkungssteuersignale, daß der automatische Schwundausgleich 42 mit einem ziemlich genauen Satz von Anweisungswörters für den automatischen Schwundausgleich versehen wird.
Im Vorstehenden wurde angenommen, daß eine erste Umdrehung das beste Modell der Verstärkungseinstellung für die nächste Umdrehung ist. Alternierende Modelle der Verstärkungseinstellung können benutzt werden. Angenommen, es wird Gipfelspannung der Rückführung gewünscht. Ferner angenommen, daß in einem Bereich Verrohrungszementhaftungslücken auftreten, dann könnte es leichter sein, die Verstärkung der vorhergegangenen N Einstellung des automatischen Schwundausgleichs zu benutzen, um die gewünschte Verstärkung anzudeuten. In diesem Fall ist das Verhältnis für das Steuersignal des automatischen Schwundausgleichs nicht vertikal sondern horizontal. Dieses wird dadurch erreicht, daß die N Einstellungen des automatischen Schwundausgleichs in die Zentraleinheit eingegeben und die Eintragungen ausgewertet werden. Typischerweise ist N eine Ganzzahl, repräsentativ für die Zahl vorhergehender Schallimpulse, die erforderlich sind, um vorherrschende Formationsgegebenheiten zu erkennen, die alle oder einige der Bohrrohre horizontal umgeben. Beispielsweise kann die Bohrrohrzementhaftung in einem Bereich, der das Bohrrohr entweder teilweise oder ganz umgibt, beschädigt sein.
Zusammenfassend: ein Verfahren benutzt die vorhergehenden Einstellungen des automatischen Schwundausgleichs für eine Umdrehung als Modell für die nächste Umdrehung, oder es kann ein senkrechtes Modell sein. Ein anderes Verfahren benutzt horizontal zugeführte Daten als Modell. Zusätzliche Verfahren können Mustersteuersignale des automatischen Schwundausgleichs verschiedener Art einschließen.
Wenn ein bestimmtes, aus dem Meßwandler 36 empfangenes Signal digitalisiert wird, wird der durch den Analog-Digital- Umsetzer 44 gebildete Digitalwert und die Ausgabe an die Zentraleinheit 48 an die Oberfläche gesandt. Dieses bestimmte Wort beschreibt die Amplitude teilweise, aber diese Amplitude ist nicht vollständig, solange das Wort nicht zusammen mit der Einstellung des Regelverstärkers 42 geliefert wird. In anderen Worten, die zwei Digitalwörter müssen den tatsächlichen unmittelbaren Wert beschreiben. Angenommen, der Analog-Digital- Umsetzer arbeitet mit 8-Bit Digital-Analog-Umwandlung. In dem Fall ist die Übertragung der acht Bits aus dem Analog-Digital- Umsetzer und das entsprechende Digitalwort, das die Verstärkungsregelungseinstellung für den Regelverstärker 42 darstellt, notwendig. Die beiden Wörter werden somit als Daten durch das Telemetriesystem 30 übertragen. Die zwei Wörter können zehn bis vierzehn Bits mit Paritäts- und Zeichen-Bits umfassen. Zusammenfassend, die digitalisierten Abtastungen werden zur Oberfläche gesandt, um das empfangene Echo darzustellen.
Im allgemeinen kann die Sonde im Bohrloch frei rotieren. Von einer Umdrehung zur nächsten ist die tatsächliche Drehung normalerweise gering oder sogar Null. Es geht soweit, daß die Drehung der an dem Kabel hängenden Sonde den Meßwandler in einer Weise verschiebt, daß die in einem Puffer 52 oder 54 gespeicherten Daten des automatischen Schwundausgleichs weniger nützlich gemacht werden; die Sonde kann wahlweise eine Richtungsmeßvorrichtung 60 einschließen, die der Zentraleinheit 48 ein Signal zuführt. Die Vorrichtung 60 kann ein Nordanpeilungs-Kreiselsystem oder Beschleunigungsmesser sein. Während die Sonde rotiert, werden diese Daten in der Zentraleinheit benutzt, um die Daten azimutal von einer Umdrehung zur nächsten zu schieben (unter Bezugnahme auf die puffergespeicherten Daten des automatischen Schwundausgleichs in den Puffern 52 und 54). Falls während der ersten Meßwandlerumdrehung automatische Schwundausgleichsdaten gebildet werden, wird festgestellt, daß die Sonde um einen Winkel α rotierte; die automatischen Schwundausgleichsdaten werden um den Winkel α gegeneinander versetzt, um die automatischen Schwundausgleichs-daten vertikal entlang dem Bohrloch abzustimmen.

Claims

1. Eine Vorrichtung zur Prüfung entlang eines Bohrlochs, mit:

einem auf einer kabelgestützen Sonde (10) montierten Meßwandler (34) zum Bewegen entlang eines Bohrlochs (14);

Abtastmitteln (36) zum Erfassen von Bohrlochrückführungen, die den von diesem Meßwandler erzeugten Impulsen entsprechen;

einem Regelverstärker (42), der mit diesen Abtastmitteln verbunden ist, um eine Vielzahl verstärkter Ausgangssignale zu bilden, die diesen Bohrlochrückführungen entsprechen;

einem Analog-Digital-Umsetzer (44) zum Umwandeln dieser Vielzahl verstärkter Ausgangssignale in eine Vielzahl digitaler Ausgangssignale: und

einer Zentraleinheit (48), die an diesem Analog- Digital-Umsetzer angeschlossen ist, wobei diese Zentraleinheit ein korrektives Verstärkungssteuersignal für jedes dieser digitalen Ausgangssignale entwickelt;

dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (34) ein Ultraschallwandler ist und die Vorrichtung ferner umfaßt:

ein an diesem Ultraschallwandler angeschlossenes Meßwertgebersteuermittel (34) zum Erzeugen einer Vielzahl von Ultraschallimpulsen während einer einzigen Drehung dieses Meßwandlers, wobei jeder dieser Impulse einem Bohrlochabschnitt entspricht;

Speichermittel (52, 54) für diese Zentraleinheit, um eine Vielzahl von Verstärkungssteuersignalen an Adressen zu speichern, die jeweils einem Bohrlochabschnitt entsprechen; und

Mittel (50) zum Vorsehen von mindestens einem dieser gespeicherten Verstärkungssteuersignale aus diesen Speichermitteladressen an diesen Regelverstärker für jeden dieser Bohrlochabschnitte während einer sukzessiven Drehung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der dieses Speichermittel doppelte erste (52) und zweite (54) Speichermittel umfaßt, die beide so angeordnet sind, daß an darin befindlichen spezifizierten Adressen Digitalwerte empfangen werden, die das Verstärkungssteuersignal für diesen Regelverstärker (42) darstellen, und ein zum Aufnehmen einzelner Verstärkungssteuersignalwerte angeschlossenes Pufferregister (50) Verstärkungssteuersignale für diesen Regelverstärker vorsieht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, in der diese Zentraleinheit (48) so angeordnet ist, daß sie dieses Signal im Hinblick auf die Ausgabe des Analog-Digital-Umsetzers (44) vergrößert oder verkleinert, um das modifizierte Verstärkungssteuersignal auf einen Wert zu bringen, der dafür sorgt, daß die Ausgabe des Analog-Digital-Umsetzermittels innerhalb spezifizierter Grenzen liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der dieses Speichermittel (50, 52, 54) so geordnet ist, daß ein Speichermittel (52) für eine Umdrehung dieses Meßwandlers (36) gebildet wird und darin Speicheradressen für Verstärkungssteuersignale enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, einschließlich eines zweiten Speichermittels (54) für eine zweite Umdrehung dieses Meßwandlers (36) für Verstärkungssteuersignale einer zweiten und folgenden Umdrehung.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, einschließlich Mittel (60) zur Bestimmung einer Richtungsbezugnahme, damit dieser rotierende Meßwandler (36) an spezifichen Richtungen in dem Bohrloch betrieben werden kann.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der der Ultraschallwandler sowohl als Meßwertgeber als auch als Abtastmittel für Ultraschallimpulse benutzt wird.

8. Ein Verfahren zum Abtasten von Formationen entlang eines Bohrlochs (14), einschließlich:

Übertragung von Impulsen von einem im Bohrloch befindlichen Meßwandler (36);

Empfang eines Echos während eines gewählten Intervalls an dem Meßwandler nach Übertragung des Impulses;

Verstärkung des empfangenen Meßwandlersignals durch einen Regelverstärker (42);

Umwandlung der verstärkten Meßwandlersignale in Digitalsignale;

Entwicklung korrektiver Verstärkungssteuersignale auf der Grundlage jedes dieser Digitalsignale; und

Einstellung der Verstärkung dieses Regelverstärkers auf der Grundlage vorher entwickelter Verstärkungssteuersignale;

dadurch gekennzeichnet, daß:

die übertragenen Impulse Ultraschallimpulse sind, die von einem Ultraschallwandler (34) erzeugt wurden;

der Meßwandler (34) rotiert wird und eine Vielzahl von Impulsen während jeder Drehung des Meßwandlers erzeugt werden, wobei jeder der Impulse einem Bohrlochabschnitt (14) entspricht;

die korrektiven Verstärkungssteuersignale in Speichermitteln (52, 54) an Adressen gespeichert werden, die den jeweiligen Bohrlochabschnitten entsprechen; und

mindestens eines dieser gespeicherten Verstärkungssteuersignale aus diesen Speichermitteln (52, 54) diesem Regelverstärker (42) für jeden dieser Bohrlochabschnitte während einer sukzessiven Drehung zugeführt wird.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, in dem in einer vorhergehenden Umdrehung erhaltene Verstärkungssteuersignale zur Steuerung der Verstärkung bei der nächsten Umdrehung benutzt werden.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 8, in dem jedes Verstärkungssteuersignal aus einer ganzen Zahl vorhergehender Verstärkungssteuersignale aus der gleichen Umdrehung des Meßwandlers abgeleitet wird.

11. Ein Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, in dem jeder zur Übertragung gebildete Impuls in einem Zeitabstand zu anderen übertragenen Impulsen auftritt, und während der Zeit zwischen naheliegenden, übertragenen Impulsen das empfangene Signal verstärkt und digitalisiert wird, um ein Digitalwort zu bilden, dessen Wort mit einem das Verstärkungssteuersignal repräsentierenden Digitalwort assoziiert ist.

12. Ein Verfahren nach Anspruch 8, 9 10 oder 11, bei dem ein Satz Digitalwörter gebildet wird, welche die Verstärkungssteuersignale für eine Umdrehung des Meßwandlers darstellen, und einschließlich des Speicherungsschrittes der Digitalwörter für eine Umdrehung und Rückruf der Digitalwörter während der nächstfolgenden Umdrehung.

13. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 12, in dem das Verstärkungssteuersignal für jedes Digitalsignal auf einem Wert eingestellt ist, der dafür sorgt, daß das Digitalsignal innerhalb der vorbestimmten Grenzen liegt.