DE69130807T2

DE69130807T2 - Vorrichtung und Verfahren für Ultraschallmessungen in Bohrlöchern

Info

Publication number: DE69130807T2
Application number: DE69130807T
Authority: DE
Inventors: James Mayes; Jacques Orban
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 1990-05-16
Filing date: 1991-05-07
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2011-05-08
Also published as: EP0671547A1; EP0671547B1; US5354956A; NO911731D0; CA2042649A1; DE69129774D1; EP0457650B1; EP0457650A2; US5317111A; DE69129774T2; US5130950A; USRE34975E; DE69130807D1; NO301185B1; NO911731L; CA2042649C; EP0457650A3

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ultraschallmessung von Bohrlocheigenschaften. Genauer bezieht sich diese Erfindung auf Vorrichtungen und Verfahren zur Ultraschallmessung von Bohrlocheigenschaften während des Bohrens eines Schachts. Noch genauer bezieht sich die Erfindung auf die Messung von Bohrlochdurchmessern und des Gaseinbruchs in ein Bohrloch, während ein Bohrloch gebohrt wird. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen bestimmten Ultraschallsensor, der in die Vorrichtung zur Messung solcher Eigenschaften eingebaut ist.

Hintergrund der Erfindung

Die Vorrichtungen und die Verfahren dieser Erfindung sehen die Messung von Bohrlochdurchmessern und die Erfassung des Gaseinbruchs vor, während ein Bohrloch gebohrt wird.

Bohrlochkalibermessung

Die Kenntnis des Durchmessers eines Bohrlochs während des Bohrens dieses Bohrlochs ist für den Bohrführer wichtig, weil dieser in Echtzeit Hilfsmaßnahmen ergreifen kann, um die Verzögerung, die mit einem Lösen des Bohrstrangs verbunden ist, und das Durchführen von Meßaktivitäten am unverschalten Bohrloch zu vermeiden. Wenn der Durchmesser des Bohrlochs über dem Sollmaß liegt, kann dies ein Anzeichen dafür sein, daß ein ungenügender Schlammfluß stattfindet oder daß eine ungünstige chemische Zusammensetzung des Schlamms gegeben ist oder daß der hydrostati sche Schachtdruck zu niedrig ist oder daß irgendeine andere Quelle für Unregelmäßigkeiten bei der Schachtbohrung gegeben ist. Wenn der Durchmesser des Bohrlochs unter dem Sollmaß oder der Nennweite liegt, kann dies anzeigen, daß die Bohrkrone abgenutzt ist und ausgetauscht werden sollte, um die Notwendigkeit nachträglicher Schachträummaßnahmen zu vermeiden.
Schachtbohrdurchmesser-Unregelmäßigkeiten erhöhen das Risiko, daß der Bohrstrang im Schacht steckenbleibt. Ein festsitzendes Rohr verursacht eine teure und aufwendige Fangarbeit, um den Strang zu bergen, oder eine Abweichung der Bohrung nach dem Verlust des unteren Teils des Bohrstrangs. Informationen über eine Änderung des Schachtbohrdurchmessers in Echtzeit sind für den Bohrführer wichtig, damit Hilfsmaßnahmen ergriffen werden können.
Schachtbohrdurchmesser in Abhängigkeit von der Tiefe sind ebenfalls wichtige Informationen für den Bohrführer, wenn das Bohrloch für einen größeren Zeitabschnitt unverschalt bleiben muß. Wenn der Bohrstrang aus dem Bohrloch ausgefahren wird, liefert die Überwachung des Schachtbohrdurchmessers dem Bohrführer Informationen hinsichtlich der korrekten Eigenschaften der Bohrflüssigkeit bzw. des Bohrfluids, da diese sich auf die Erdformationseigenschaften beziehen.
Die Kenntnis des Bohrlochdurchmessers hilft dem Bohrführer auch weiter, wenn abweichende Löcher gebohrt werden. Wenn ein Bohrloch nicht das Sollmaß besitzt, ist ein gerichtetes Bohren schwierig, da der Bohrstrang, die Bohrlochboden-Einheit und die Schwerstangenstabilisatoren nicht den vom Bohrführer vorausgesetzten Kontakt mit den Bohrlochwandungen haben. Die Echtzeit-Kenntnis des Bohrlochdurchmessers liefert Informationen, auf denen die Entscheidungen für ein gerichtetes Bohren basieren. Solche Entscheidungen können die Notwendigkeit des Lösens des Strangs erübrigen, so daß die untere Bohreinheit modifiziert werden kann, um ein Problem einer Lochkrümmungsabweichung zu beheben.
Die Echtzeit-Kenntnis des Schachtbohrdurchmessers ist wichtig, wenn Bohrlöcher während des Bohrens gemessen werden (= LWD = logging while drilling). Bestimmte Messungen, besonders die Kernmessungen der Formation hängen vom Bohrlochdurchmesser ab. Die Kenntnis des Schachtbohrdurchmessers kann unter bestimmten Umständen die Validierung oder Korrektur solcher Messungen mitentscheiden.
Das US-Patent 4.665.511 beschreibt ein System zur Messung des Durchmessers eines Schachts, während dieser gebohrt wird. Ein solches System sieht Ultraschallwandler auf diametral entgegengesetzten Seiten einer Bohruntereinheit vor. Es beruht auf dem Empfang der Echos ausgesendeter Impulse von den Bohrlochwandungen, jedoch ist dieser Empfang oft durch die Gegenwart von Bohrklein in dem Bohrfluid gestört. Die Messung des Durchmessers eines Bohrlochs unter Verwendung der Vorrichtung dieses Patents kann auch ungenau sein, wenn die Untereinheit nicht auf die Achse des Bohrlochs zentriert ist. Eine solche Ungenauigkeit kann auftreten, wenn die Bohruntereinheit an der Bohrlochwandung anliegt und der Durchmesser der Untereinheit kleiner als der Durchmesser des Bohrlochs ist. Unter solchen Umständen ist der durch die Bohruntereinheit erfaßte "Durchmesser" in Wirklichkeit eine Kreissehne des Bohrlochs, die kleiner als der wahre Bohrlochdurchmesser ist.
Die Angaben der Aufgaben der Erfindung hinsichtlich der Bohrlochkalibermessung sind weiter unten im Anschluß an die Beschreibung andere Aspekte der Erfindung beschrieben.

Bohrloch-Gaseinbrucherfassung

Ein Gaseinbruch oder ein "Stoß" in das Bohrloch stellt eine ernste Gefahr in der Bohrtechnik dar, da Stöße, wenn diese unkontrolliert sind, Schachtausbrüche verursachen können. Schachtausbrüche können tödliche Unfälle, Beschädigung teurer Bohrausrüstung, Verschwendung natürlicher Ressourcen und Belastungen der Umwelt zur Folge haben.
Der Stand der Technik in der Stoßerfassung während des Bohrens beinhaltete üblicherweise die Beobachtung der Schlammfließgeschwindigkeit und/oder des Schlammgrubeninhalts. Dementsprechend besitzt fast jedes Bohrsystem, das Bohrfluid oder -schlamm verwendet, um den Druck im Bohrloch zu steuern, irgendeine Art Einrichtung zur Anzeige des Grubenpegels, die die Zunahme oder Abnahme des Schlamms angibt. Eine den Schlammgrubenpegel anzeigende und aufzeichnende Einrichtung wie etwa ein Aufschrieb, ist gewöhnlich an einer Stelle angeordnet, an der der Bohrführer den Aufschrieb während des Bohrens sehen kann. Wenn ein Stoß geschieht, hängt der Oberflächendruck, der aufrechtzuerhalten ist, weitgehend davon ab, ob die Bohrlochschieber am oberen Ende des Schachts schnell geschlossen werden und soviel Schlamm wie möglich im Schacht zurückbehalten wird.
Durchflußmesser, die relative Änderungen im Schlammrückfluß anzeigen, sind ebenfalls als Stoßwarneinrichtung verwendet worden, da Schlamm-Füllmengen in Festkörperüberwachungseinrichtungen, Entgasungs- und Mischeinrichtungen den mittleren Grubenpegel beeinflussen. Solche Schwankungen des Grubenpegels wiederholen sich aufgrund solcher Faktoren während des Bohrens periodisch und können gleichzeitig mit einem Stoß auftreten. Wenn solche Bedingungen gegeben sind, kann die Schlammrückfließgeschwindigkeit ein erstes Anzeichen eines Stoßes sein.
Um Stöße so früh wie möglich während des Bohrens zu bestimmen, verwendet der Bohrführer gewöhnlich Momentanaufschriebe des mittleren Inhalts der Schlammgrube, der Zunahme oder der Abnahme des Schlamms und der Rückfließgeschwindigkeit. Vorzugsweise werden das Schlammvolumen und die Rückfließgeschwindigkeit an der Bohrkonsole angezeigt (und möglicherweise durch einen Schreiber aufgezeichnet), so daß Tendenzen beobachtet werden können. Sobald eine unerwartete Änderung in den Tendenzen auftritt, prüft der Bohrführer auf eine Stoßbedingung.
Diese herkömmlichen Stoßerfassungstechniken für Erdbohrvorgänge benötigen gewöhnlich eine Verzögerung von zehn bis zwanzig Minuten ab dem Zeitpunkt, an dem der Gaseinbruch an der Sohle des Schachts eintritt, bis der Grubeninhalt oder die Schlammrückfließgeschwindigkeit ausreichend beeinflußt worden ist, um erfaßt zu werden. Für seewärtige Operationen können solche Verzögerungen doppelt so lang sein wie für landwärtige Operationen.
Da ein Stoß zu einem Ausbruch mit möglicherweise verheerenden Ergebnissen führen kann, sind bekannte Versuche durchgeführt worden, Informationen bezüglich des Gaseinbruchs in das Bohrloch zu erhalten, noch bevor ein solcher Zustrom den Schlammgrubeninhalt oder die Schlammrückfließgeschwindigkeit beeinflußt. Im US-Patent 4,571, 693 ist eine Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften des Bohrschlamms mit einem zur Aufnahme in einem Bohrstrangelement geeigneten Meßfühler offenbart. Dieser Meßfühler enthält einen Ultraschallwandler, der zum Senden von Schallimpulsen und zum Empfangen von Echosignalen dient. Es ist ein Zwischenraum im Pfad der Ultra schallimpulse vorgesehen, so daß Bohrfluid in den Zwischenraum eindringen kann. Die Reflexionen von einer nahen Fläche des Zwischenraums und von einer fernen Fläche des Zwischenraums werden analysiert. Aus dieser Analyse lassen sich die Schallgeschwindigkeit in dem Bohrfluid, die Schalldämpfung, das Produkt aus Fluiddichte und Kompressibilität, Viskosität usw. bestimmen.
Dieses Patent beschreibt kein praktisches System in einer MWD-Umgebung (MWD = measuring while drilling = Messung während des Bohrens) innerhalb des Schachts, da der Meßfühlerzwischenraum schnell durch korpuskularen Schlamm verkrustet oder verstopft wird. Dieses Verkrusten des Zwischenraums macht den Meßfühler für ein Bestimmen der Eigenschaften des Bohrfluids im Schacht unbrauchbar. Die Vorrichtung und das Verfahren ignorieren außerdem im Bohrfluid vorhandenes Bohrklein, das die durch einen Ultraschallwandler empfangenen Reflexionen beeinflußt.
Die Angaben der Aufgaben der Erfindung hinsichtlich der Gaseinbruch- oder Stoßerfassungsmessungen der Erfindung sind weiter unten beschrieben.

Ultraschallsensor für eine MWD-Umgebung

Die Bohrumgebung, in der ein Ultraschallsensor funktionieren muß, wenn Bohrloch- und Bohrfluideigenschaften während des Bohrens zu messen sind, ist wirklich entmutigend. Schläge und Vibrationen des Bohrstrangs von bis zu 650 g/ms machen den Ultraschallsensor im Stand der Technik unbrauchbar. MWD-Sensoren müssen anders als Bohrloch- Sensoren mit Drahtleitungen einige Tage durchhalten, da das Bohren so lange Zeit dauert. Das bei Hochgeschwindigkeitsbohrfluid durch Bohrwerkzeuge und durch auf Gesteinsformationen stoßende Werkzeuge erzeugte Rauschen muß bei der Signalverarbeitung unterdrückt werden. Zu sätzlich müssen die Sensoren in der Lage sein, Drücken von bis zu 20000 psi (Pfund pro Quadratzoll) und Temperaturen von bis zu 150ºC sowie mechanischem Abrieb und direkten Schlägen auf die Sensorfläche standzuhalten.
Die Angaben der Aufgaben der Erfindung bezüglich der Ultraschallsensor-Aspekte der Erfindung sind weiter unten beschrieben.

Angabe der Aufgaben der Erfindung

Bohrloch-Gaseinbrucherfassung

Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es, ein praktisches und zuverlässiges Verfahren und eine praktische und zuverlässige Vorrichtung zu schaffen, mit denen ein Gaseinbruch in einen Schacht gemessen werden kann, während dieser gebohrt wird, und ein für den Meßwert repräsentatives Signal zur Oberfläche fernübertragen werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Gaseinbruchs in ein Bohrloch selbst für den Fall, in dem Bohrklein in dem Bohrlochfluid mitgezogen wird, zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Werkzeug zur Schätzung des Gaseinbruchs in ein Bohrloch durch Impuls-Echo-Messung des fließenden Bohrfluids, wenn es in dem Ring zwischen dem Werkzeug und dem Bohrloch zur Oberfläche zurückkehrt, zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, alternative Techniken zur Schätzung des Gaseinbruchs in ein Bohrloch und die Anwendung dieser Techniken als redundante Indikatoren eines Gaseinbruchs zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoreinheit, die eine Verzögerungsleitung einschließlich einer Struktur zur Fokussierung von Ultraschallimpulsen in Richtung der Bohrlochwandung enthält, zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, elektronische Steuer- und Verarbeitungsschaltungen zum Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen und -echos und zum Verarbeiten von Echodaten, um Kaliber- und Gaseinbruchsignale zu erzeugen, zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die oben angegebenen Aufgaben sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind vorzugsweise in einem Ultraschallsystem vereinigt, das in einer MWD- oder LWD-Vorrichtung angeordnet ist, um die Überwachung des Lochkalibers und/oder die Erfassung des Gaseinbruchs auszuführen.
Das System enthält einen Ultraschallsendeempfänger, der in eine Schwerstange eingebaut ist. Solche Schwerstangen dienen u. a. dazu, beim Bohrprozeß die Bohrkrone mit Gewicht zu belasten. Mit anderen Worten, sie dient unabhängig von der hier beschriebenen MWD-Meßvorrichtung als gewöhnliche Schwerstange. Ein zweiter völlig gleicher Sendeempfänger ist vorzugsweise an der azimutal gegenüberliegenden Stelle des ersten Sendeempfängers in der gleichen Schwerstange und an der gleichen axialen Stelle installiert. Dieser zweite Sendeempfänger erhöht die Zuverlässigkeit der Gaseinbrucherfassung und die Kalibergenauigkeit.
Der Sendeempfänger ist so beschaffen, daß er Ultraschallimpulse im Schlamm in der zur Schwerstangenfläche senk rechten Richtung erzeugt. Der Schwingungsimpuls wandert durch den Schlamm, reflektiert an der Erdformationsfläche und kehrt zum gleichen Sendeempfänger zurück, der, nachdem der Ultraschallimpuls gesendet worden ist, als Empfänger dient. Die Laufzeit des Impulses im Schlamm ist proportional zur Standoff-Entfernung des Werkzeugs von der Bohrlochwandung.
Der Sendeempfänger enthält eine feste "Verzögerungsleitung" zwischen einem Keramiksensor und dem Bohrfluid. Diese "Verzögerungsleitung" reflektiert einen Teil des emittierten Schallimpulses von der Grenzfläche zwischen der Verzögerungsleitung und dem Schlamm zurück zum Sensor. Die Amplitude dieses Impulses hängt von der Schallimpedanz des Schlamms ab. Diese Schallimpedanz ist direkt abhängig von der Menge des Gases im Schlamm, d. h., sie hängt von der Dichte des Schlamms ab. Dementsprechend ist die Schallimpedanz des Schlamms ein wichtiger Parameter für die Gaseinbrucherfassung im Inneren des Bohrlochs.
Das Schaffen einer Verzögerungsleitung vor dem Schallsensor ermöglicht vorteilhaft eine Echoerfassung, bei der sich das Werkzeug dicht am Bohrloch befindet. Ferner sorgt eine solche Verzögerungsleitung für eine Fokussierung, für einen Schutz des Sensors und für weitere mechanische Funktionen, die weiter unten beschrieben sind.
Zusätzlich zum Sendeempfänger enthält die Bohrstrang- Schwerstange elektronische Schaltungen, einen Mikroprozessor und Speicherschaltungen zur Steuerung des Sensors und zum Empfang von Echosignalen und zu deren Verarbeitung. Verarbeitete Signale können in einem schachtinneren Speicher (das Kaliber beispielsweise) gespeichert werden oder durch eine Standard-MWD-Schlammimpulsvorrichtung und deren Verfahren zur Oberfläche übertragen werden. Beide Verfahren (Speicherung und Übertragung) können gleichzeitig angewandt werden. Alternativ können die Kalibersignale gespeichert werden und die Gaseinbruchsignale zur Oberfläche in Echtzeit übertragen werden.

Bohrlochkalibermessung

Die Vorrichtung der Erfindung sieht eine Werkzeugabstandsmessung vor, um den Lochdurchmesser zu bestimmen, wenn das Werkzeug sich dreht (was während des Bohrens der Normalfall ist) oder wenn das Werkzeug stillsteht. Wenn sich das Werkzeug dreht, sendet der Ultraschallsendeempfänger die Schallimpulse durch den Schlammzwischenraum zwischen dem Werkzeug und der Bohrlochwandung. Dieser Zwischenraum ändert sich mit der Werkzeugdrehung. Die gemessenen Abstände werden zur statistischen Verarbeitung gesammelt und der durchschnittliche Lochdurchmesser nach mehreren Umdrehungen berechnet. Die mehreren Abstandsmessungen werden vorzugsweise jede Sekunde ausgewertet. Da die übliche Bohrstrangdrehzahl bei zwischen 50 und 200 Umdrehungen pro Minute liegt und die durchschnittliche Zeit für das Sammeln ca. 10 bis 60 Sekunden beträgt, werden genügend Daten für eine genaue Mittelwertbildung erzeugt.
Ist ein zweiter Sendeempfänger, der dem ersten diametral gegenüberliegt, vorgesehen, verbessert dies die Durchmessermessung, wenn sich die Werkzeugachse während des Bohrens in der Schachtbohrung seitlich bewegt. Zum einen mißt der Sendeempfänger den Abstand auf seiner Seite. Der andere Sendeempfänger mißt unmittelbar danach den Abstand auf der anderen Seite des Werkzeugs. Ein verzögerungsfreies Aktivieren beider Sendeempfänger ist nicht erforderlich, solange die Werkzeugbewegung in der Zeit zwischen zwei Sendeempfängermessungen kurz ist.
Der Lochdurchmesser wird vorzugsweise bestimmt, indem der Werkzeugdurchmesser zu den in aufeinanderfolgenden Aktivierungen gemessenen Abständen hinzugezählt wird. Zur Ermittlung eines Bohrlochmeßwerts wird eine Anzahl von Bohrlochdurchmesserbestimmungen akkumuliert und deren Mittelwert gebildet. Die zusätzliche Verarbeitung gemäß der Erfindung bezieht sich auf die Verarbeitung zur Aussonderung falscher Echos. Eine solche Verarbeitung identifiziert Formationsechos, die nach den Echos des Bohrkleins in dem Bohrfluid auftreten. Die Verarbeitung unterscheidet außerdem die Formationsechos nach ihrer unterschiedlichen Herkunft und von dem Sensorrauschen.
Ein wichtiges Merkmal einer zweckmäßigen Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Montage des Sendeempfängers in der Nähe eines Stabilisators oder auf den Stabilisierungsschildern des Ringraums. Eine solche Anordnung des Sendeempfängers verbessert die Genauigkeit der Kalibermessung.

Bohrloch-Gaseinbrucherfassung

Der Gaseinbruch oder ein "Stoß" wird durch zwei Techniken erfaßt, die allein oder zusammen angewandt werden können, um sich gegenseitig im Ergebnis zu bestätigen. Die erste Technik besteht in der Messung der Schallimpedanz des Schlamms im Bohrloch, während dieses gebohrt wird. Die andere Technik besteht in der Messung der Dämpfung des Schlamms im Bohrloch, während dieses gebohrt wird.
Um die Schlammimpedanz zu messen, enthält der Sendeempfänger eine Verzögerungsleitung vor dem Sensor. Wenn ein Schallimpuls vom Sensor ausgesendet wird, erreicht er die Vorderfront der Verzögerungsleitung. Ein Teil des Schallimpulses wird zurück zum Sensor reflektiert. Da der Reflexionskoeffizient von der Schallimpedanz abhängt, gibt die Amplitudenmessung des reflektierten Signals die Schlammimpedanz als Funktion der Zeit wieder. Das Auftreten eines Gaseinbruchs kann durch Überwachen der Änderungen der gemessenen Schlammimpedanz über der Zeit bestimmt werden oder alternativ durch Vergleichen der gemessenen Schlammimpedanz mit einem Referenzmeßwert der Impedanz "reinen" Schlamms.
Die Schlammdämpfung ist als Abschwächung der Signalamplitude bei erhöhtem Abstand definiert. Die Messung der Schlammdämpfung erfordert mehrere Messungen der Amplitude des Schallechosignals, nachdem es verschiedene Standoff- Entfernungen im Schlamm durchlaufen hat. Ein solches Echo besteht für die Erfindung aus dem Bohrlochecho, das nach der Reflexion an der Bohrlochwandung zum Sensor zurückkehrt. Es ist wichtig, daß die Amplitude und die Frequenz des ausgesendeten Impulses für die gesamte Vielzahl an Messungen im wesentlichen konstant bleiben. Für eine vorgegebene Meßperiode werden mit der Bewegung des Werkzeugs in der Schachtbohrung mehrere Abstandswerte gemessen. Für jeden Abstand wird die Amplitude des Formationsechos gemessen. Dann werden die logarithmischen Werte dieser Amplitude über den Abständen in einer Tabelle gespeichert. Die Steigung einer zwischen die logarithmischen Werte der Bohrlochechoamplitude gelegten Linie wird bestimmt.
Ein Hauptvorteil des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung gegenüber anderen Verfahren zur Überwachung der Schlammdämpfung ist die Durchführung der Messung durch eine Schlammprobe hindurch, die Teil des Bohrfluid ist, das durch den Ring zwischen der Bohrlochwandung und dem Bohrwerkzeug fließt. Dementsprechend besteht keine Gefahr des Verstopfens einer "Zwischenraum"-Messung mit Bohrklein, Bohrschutt oder klumpendem Lehm, da der Schlamm fluß und die Werkzeugbewegung durch den Schlamm hindurch die Sensorfläche reinigen.

Ultraschallsensor für eine Messung-während-des-Bohrens- Umgebung

Die Ultraschallsensoreinheit der Erfindung ist für eine Anbringung in der Wand oder in der Stabilisierungsflosse einer Schwerstange geeignet, die über der Bohrkrone einer Bohrlochboden-Einheit angeordnet ist. Die Ultraschallsensoreinheit enthält eine Sensorbaugruppe mit einem inneren schallabsorbierenden Hinterlegungselement, einer piezoelektrischen Keramikscheibe, die nach außen gerichtet an das Hinterlegungselement anschließt, und eine Verzögerungsleitung. Diese Verzögerungsleitung ist aus hartem Plastwerkstoff hergestellt und außen an der Keramikscheibe angebracht. Diese Verzögerungsleitung enthält eine nach außen gerichtete Mulde zur Fokusssierung eines Ultraschallimpulses in den Bohrschlamm in Richtung der Bohrlochwandung. Ein Elastomer oder Epoxidharz füllt die Mulde auf, so daß sich eine glatte Fläche zum fließenden Schlamm und zur Bohrlochwandung hin ergibt.
Die Sensoreinheit enthält Elektroden, die an den Außen- und Innenflächen der Keramikscheibe angebracht sind, und Steckerstifte zum Anschluß der Einheit an Elektronikmodule, die in der Schwerstange untergebracht sind. Diese Elektronikmodule enthalten Steuer- und Verarbeitungsschaltungen und Speicherlogik zum Emittieren von Ultraschallimpulsen über den Keramikscheibensensor und zum Erzeugen von Echosignalen, die für Echos von solchen Impulsen repräsentativ sind, die zum Scheibensensor zurückkehren. Diese Elektronikmodule enthalten vorzugsweise auch eine elektrische Energiequelle (wie etwa eine Batterie oder eine Gleichstromquelle aus einem MWD-Werkzeug) und einen schachtinneren Speicher zum Speichern von Signalen als Funktion der Zeit. Er besitzt eine Schnittstelle zu einem MWD-Fernübertragungsmodul zur Echtzeit- Übertragung von Meßdaten zur Oberfläche während des Bohrens.
Das Hinterlegungselement der Ultraschallsensoreinheit ist durch einen festen Abschnitt (vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise von zylindrischer Form) gekennzeichnet, der nach innen an die Keramikscheibe anschließt, und einen kegelstumpfförmigen Abschnitt, der an den festen zylindrischen Abschnitt anschließt.
Die Sensorbaugruppe enthält eine Gummiummantelung, die um das Hinterlegungsmaterial angeordnet ist, die Keramikscheibe und eine Anpassungsschicht, die nach außen an die Keramikscheibe anschließt. Ein Schlauch aus einem elastischen Polymer ist zwischen der Gummiummantelung und einem Metallbecher, in der die Sensorbaugruppe untergebracht ist, angeordnet. Die Verzögerungsleitung ist in dem Becher außerhalb der Gummiummantelung und dem elastomeren Schlauch, der die Sensorbaugruppe umgibt, federbelastet angebracht.
Zwei Rauschquellen sind in der Umgebung der Sensorbaugruppe des Werkzeugs gegenwärtig. Die erste kann als Bohrrauschen bezeichnet werden, das ein niedrigeres Frequenzband als das der Schallimpuls-Echo-Vorrichtung des Sensors besitzt. Die zweite ist das Pumprauschen, das durch ein Frequenzband gekennzeichnet ist, das sich in den Frequenzbereich der Impuls-Echo-Vorrichtung erstreckt.
Das Pumprauschen wird mechanisch gefiltert, nicht nur durch die Gummiummantelung, die die Sensorbaugruppe umgibt, sondern auch durch einen radial außerhalb der Keramikscheibe über die Gummiummantelung montierten Ring.
Das Hinterlegungselement ist durch die Gummidichtung zwischen ihr und dem elastomeren Schlauch, der die Baugruppe einhüllt, stoßgesichert.
Das Bohrrauschen, das eine extrem große Amplitude besitzen kann, wird teilweise mechanisch durch die Gummiummantelung und den obenbeschriebenen Filterring und teilweise elektronisch gefiltert. Die elektronische Filterung wird durch ein elektronisches Hochpaßfilter erreicht, das vor der Signalverstärkung angeordnet ist, um eine Verstärkersättigung zu vermeiden, die die Ultraschallsignalerkennung während der Sättigung des Verstärkers und der Erholzeit überdecken könnte.

Kurzbeschreibung der Abbildungen

Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlicher mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen und eine veranschaulichende Ausführung der Erfindung gezeigt ist und worin:
Fig. 1 ein in einem Bohrstrang eines Rotationsbohrsystems angeordnetes Ultraschallmeßwerkzeug darstellt, wobei das Werkzeug den Bohrlochdurchmesser und Fluidzustrom mißt, während sich der Bohrstrang dreht oder im Stillstand ist;
Fig. 1A eine alternative Anordnung einer Ultraschallsensoreinheit in der Wand einer Bohrschwerstange anstatt in den Stabilisierungsflossen einer solchen Bohrschwerstange darstellt;
Fig. 2A in schematischer Weise die Ultraschallsensoreinheit der Erfindung darstellt und Fig. 2B eine zweckmäßige Ausführung der Sensoreinheit der Erfindung darstellt;
Fig. 3A in einem Blockschaltbild die Schaltungen, den Computer und das gespeicherte Programm eines Werkzeug- Elektronikmoduls darstellt, das die Aktivierung eines Quellenimpulssenders und des Echosignalempfangs eines oder mehrerer Sensoren steuert und die Echodaten verarbeitet, um Signale zu erzeugen, die für den Bohrlochdurchmesser, die Schlammimpedanz und die Schlammdämpfung repräsentativ sind, und Fig. 3B eine Implementierung eines gespeicherten Programms für eine Aktivierungs/Schwellen/Zähler-Vorrichtung und deren Verfahren zur Digitalisierung gefilterter Echosignale darstellt;
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung ist, die Ultraschallimpulserzeugung durch die Keramikscheibe der Sensorbaugruppe und die Echos von der Grenzfläche der Verzögerungsleitung mit dem Bohrfluid und die Echos von der Formations- oder Bohrlochwandung veranschaulicht;
Fig. 5 eine Spannung-Zeit-Darstellung des in das Bohrfluid in Richtung der Bohrlochwandung ausgesendeten Ultraschallimpulses und verschiedener Rückechoimpulse von der Grenzfläche der Verzögerungsleitung mit dem Bohrfluid und von der Bohrlochwandung ist;
Fig. 6A und 6B schematisch und durch eine Spannung-Zeit- Kurve die relative Amplitude und den Zeitabstand eines ausgesendeten Ultraschallimpulses und seines Rückechos erstens von der Grenzfläche zwischen der Verzögerungsleitung der Sensorbaugruppe und dem Bohrfluid des Bohrlochs und zweitens von der Bohrlochwandung darstellen;
Fig. 7A und 7B schematisch und durch eine Spannung-Zeit- Kennlinie die relative Amplitude und den Zeitabstand eines ausgesendeten Ultraschallimpulses und der Rückechos von der Verzögerungsleitung/Bohrfluid-Grenzfläche, von der Bohrlochwandung und dem Bohrklein in dem Bohrfluid darstellen;
Fig. 8A und 8B Darstellungen ähnlich jenen aus Fig. 5A, 5B und 6A, 6B sind, die eine niedrige Gaskonzentration in dem Bohrfluid zeigen, die zu einer erhöhten Fluid-Schalldämpfung führt und die Bohrlochechoamplitude herabsetzt;
Fig. 9A und 98 Darstellungen ähnlich jenen aus den Fig. 7A und 7B sind, jedoch für den Fall einer hohen Konzentration kleiner Gasblasen in dem Bohrfluid, die zu einer fast vollständigen Dämpfung des Bohrlochechos führt, jedoch aufgrund einer veränderten Schallimpedanz auch zu einer erhöhten Amplitude des Verzögerungsleitung/Bohrfluid-Echos führt;
Fig. 9C und 9D Darstellungen ähnlich jenen aus Fig. 9A und 9B für den Fall großer Gasblasen in dem Bohrfluid sind, die zu einem Echo mit einer großen Amplitude führt, das nach dem Verzögerungsleitung/Bohrfluid-Echo erfaßt wird;
Fig. 10 Echos darstellt, die aufgrund des in dem Bohrfluid mitgeführten Bohrkleins erfaßt werden;
Fig. 11 zeigt, daß Echos empfangen werden können, die Mehrfachreflexionen des Bohrlochs sind;
Fig. 12 verzögert ankommende Rauschspitzen zeigt, die aus echten Formationsechos resultieren;
Fig. 13 ein Flußdiagramm darstellt, das die durch einen Computer in dem Elektronikmodul des Werkzeugs durchgeführten logischen Schritte zur Identifizierung der Bohrlochechos und Verzögerungsleitungsechos unter den in Fig. 6A, 6B bis 12 dargestellten Bedingungen aufzeigt;
Fig. 14 die Bestimmung der Schlammdämpfung durch Aufzeichnen des Logarithmus der Amplitude der Bohrlochechos als Funktion des Werkzeugabstands graphisch darstellt; und
Fig. 15 die in Abhängigkeit von der Bohrzeit in Dezibel aufgezeichneten Schlammimpedanz- und Schlammdämpfungsvariablen darstellt, wobei insbesondere die Auswirkung eines Gaseinbruchs in dem Bohrloch zu einem bestimmten Zeitpunkt auf diese Variablen gezeigt wird.

Beschreibung der Erfindung

Einführung

Fig. 1 zeigt ein Rotationsbohrturmsystem 5 mit einer Vorrichtung zur Erfassung des Bohrlochdurchmessers und des Gaseinbruchs in das Bohrloch während des Bohrens. Messungen im Schacht werden durch Instrumente durchgeführt, die in der Schwerstange 20 angeordnet sind. Die Meßwerte können in Speichereinrichtungen des schachtinneren Instruments gespeichert oder über herkömmliche fernmeßtechnische MWD-Vorrichtungen (measuring while drilling = Messung während des Bohrens) zur Oberfläche fernübertragen werden. Zu diesem Zweck empfängt eine schematisch als Werkzeug 29 dargestellte MWD-Werkzeuguntereinheit von Instrumenten der Schwerstange 20 Signale, die über den Schlammpfad des Bohrstrangs 6 und schließlich zur Oberflächeninstrumentierung 7 über den Drucksensor 14 in dem Standrohr 15 fernübertragen werden.
Der Bohrturm 5 enthält einen Motor 2, der mit Hilfe eines Bohrtisches 4 eine Mitnehmerstange 3 dreht. Ein Bohrstrang 6 enthält Abschnitte des Bohrgestänges, die mit der Mitnehmerstange End-zu-End-verbunden sind und dadurch gedreht werden. Mehrere Schwerstangen wie die Schwerstangen 26 und 28 und die Schwerstange 20 dieser Erfindung sowie eine oder mehrerer MWD-Werkzeuge werden an dem Bohrstrang 6 angebracht. Solche Schwerstangen mit Werkzeug bilden eine Lochboden-Bohreinheit zwischen dem Bohrstrang 6 des Bohrgestänges und der Bohrkrone 30.
Wenn sich der Bohrstrang 6 und die Lochboden-Bohreinheit drehen, bohrt die Bohrkrone 30 das Bohrloch 9. Ein Ringraum 10 wird von der Außenseite des Bohrstrangs 6, der Lochboden-Bohreinheit und dem Bohrloch 9 durch die Erdformationen 32 begrenzt.
Das Bohrfluid oder der "Schlamm" wird durch die Pumpe 11 aus der Schlammgrube 13 über das Standrohr 15 und den drehbaren Einspritzkopf 17 durch das hohle Innere der Mitnehmerstange 3 und des Bohrstrangs 6 zur Bohrkrone 30 gedrückt. Dieser Schlamm dient zur Schmierung der Bohrkrone 30 und zum Austragen des Bohrkleins oder Bohrschutts durch den Ringraum 10 nach oben zur Oberfläche. Der Schlamm wird zur Schlammgrube 13 zurückgeführt, wo er von dem Bohrklein oder dergleichen getrennt, entgast und für einen Einsatz wieder zum Bohrstrang zurückgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Werkzeug 20 enthält zum Messen der Eigenschaften des Bohrlochs, während dieses gebohrt wird, wenigstens einen Ultraschallsendeempfänger 45, jedoch vorzugsweise daneben einen zweiten Sendeempfänger 46, der dem ersten diametral gegenüber angeordnet ist.
Solche Messungen werden vorzugsweise durchgeführt, während das Bohrloch gebohrt wird, sie können auch mit dem Bohrstrang und der Lochboden-Einheit in dem Bohrloch durchgeführt werden, wenn sich diese nicht drehen.
Solche Messungen können sogar durchgeführt werden, während der gesamte Strang, die Lochboden-Einheit und die Krone in das untere Bohrloch eingefahren und ausgefahren werden, die Hauptanwendung ist jedoch das Messen, während das Bohrloch gebohrt wird. Wie oben erwähnt worden ist, können solche Eigenschaften des Bohrlochs 9 über ein MWD- Fernübertragungswerkzeug 29 und den inneren Schlammweg des Bohrstrangs 6 an die Oberfläche fernübertragen werden oder im Schacht aufgezeichnet, gespeichert und an der Oberfläche gelesen werden, nachdem der Bohrstrang aus dem Bohrloch entfernt worden ist, wie weiter unten erläutert wird.
Die Sendeempfänger 45, 46 werden vorzugsweise auf den Stabilisierungsflossen 27 der Schwerstange 20 montiert, oder können in der zylindrischen Wand 23 der Schwerstange 20' montiert werden, wie in Fig. 1A dargestellt ist. Auch wenn es vorgezogen wird, die Sendeempfänger 45, 46 an einer Schwerstange, die stabilisiert ist, zu montieren, können solche Sendeempfänger 45, 46 natürlich auf einer zylindrischen Schwerstange montiert werden, die keine Stabilisierungsflossen hat.
Die elektronischen Schaltungen und Mikroprozessoren, Speicher usw., die zur Steuerung der Sendeempfänger 45, 46, zum Empfang von Daten von diesen und zum Verarbeiten und Speichern dieser Daten eingesetzt werden, sind auf einer Hülse 21 montiert, die in der Schwerstange 20 oder 20' befestigt ist. Eine solche Hülse besitzt einen Pfad, über den der Bohrschlamm durch das Innere des Bohrstrangs 6 zum Inneren der Krone 30 dringen kann.
Die Werkzeuge (Schwerstangen) 20 oder 20', die die Sendeempfänger 45, 46 und die auf der Hülse 21 montierte elektrische Vorrichtung enthalten, sind speziell dafür ausgerüstet, den Bohrlochdurchmesser und die Eigenschaf ten des Schlamms zu messen, der nach dem Durchlaufen der Krone 30 in dem Ringraum 10 nach oben zurückgelangt. Dieser Schlamm enthält gewöhnlich mitgeführtes Bohrklein, Gesteinsbrocken und dergleichen und kann Gasblasen 19 enthalten, die aus der Erdformation in den Ringraumschlamm eindringen. Gerade die Tatsache, daß ein solcher Gaseinbruch oder -"stoß" vorkommt und die Zeit, zu der dies während des Bohrens des Bohrlochs geschieht, sind für den Bohrführer von Wichtigkeit. Wie weiter unten erläutert wird, messen die Vorrichtung und die Verfahren dieser Erfindung Eigenschaften des zurückkehrenden Schlamms wie etwa Schallimpedanz und Schalldämpfung, um zu bestimmen, ob und wann ein Gaseinbruch vorgekommen ist.

Beschreibung der Ultraschallsendeempfänaer und deren Anordnung auf der Schwerstange

1) Allgemeiner Aufbau des Ultraschallsensors

Fig. 1, 1A und 2A stellen die Ultraschallsendeempfänger 45, 46 der Erfindung schematisch dar. Solche Sendeempfänger sind in der Schwerstange 20 oder 20' zur Verschalung des Ringraums 10 des Bohrlochs 9 befestigt. Fig. 2A zeigt, daß der Sendeempfänger in einem Stahlbecher 51 in einer Vertiefung der zylindrischen Wand 23 der Schwerstange 20' oder der Stabilisierungsflosse 27 der Schwerstange 20 befestigt ist. Alternativ könnte der Sendeempfänger direkt in einer Vertiefung der Schwerstange 20 installiert werden.
Der Sensor des Sendeempfängers 45 ist eine piezoelektrische Scheibe 54, die vorzugsweise ein flaches, kreisförmiges Plättchen aus Keramikmaterial ist. Die Scheibe 54 ist zwischen eine (oder mehrere) Impedanzanpassungsschicht 56 und einem geeigneten Absorptions- oder Hinter legungselement 58 montiert. Die Anpassungsschicht 56 ist aus einem weichen Material wie etwa Magnesium oder Hartkunststoff hergestellt. Das Hinterlegungselement 58 enthält ein Granulat mit einer hohen Impedanz (üblicherweise Wolfram- oder Bleikugeln), das in ein Material mit einer niedrigen Impedanz (wie etwa Epoxidharz oder Gummi) eingelassen ist.
Diese drei Elemente, die Keramikscheibe 54, die Anpassungsschicht 56 und das Hinterlegungselement 58 werden im folgenden als Sensorbaugruppe bezeichnet. Sie wirken zusammen, um einen Ultraschallimpuls nach außen in Richtung der Wandung des Bohrlochs 9 durch den Bohrschlamm des Ringraums 10 zu erzeugen oder auszusenden und die Schallechoimpulse zu empfangen, die zu der Keramikscheibe oder dem Sensor 54 zurück reflektiert werden.
Die Sensorbaugruppe ist in eine Gummiummantelung 60 eingefaßt, die die Sensorbaugruppe gegen das Hochdruck- Bohrfluid in dem Ringraum 10 abdichtet. Dieses Abdichten gegen das Fluid verhindert elektrische Kurzschlüsse und die Korrosion der Sensorbaugruppenelemente und sorgt für die elektrische Isolierung der Elektroden, der Zuleitungen und der Verbindungen zur Sensorscheibe 54.
Der Raum 62 zwischen der Ummantelung 60, dem Hinterlegungsmaterial 58 und dem Becher 51 ist mit einem hochelastischen Material wie etwa Gummi ausgefüllt. Dieser Gummi und die Gummiummantelung 60 bewirken zusammen ein Einhüllen der Sensorbaugruppe mit Gummi, um das von dem Bohrvorgang auf die Schwerstange 20 übertragene Rauschen zu dämpfen und die hohen, während eines typischen lochabwärts gerichteten Bohrvorgangs erzeugten Stoßkräfte auf die Sensorbaugruppe teilweise zu absorbieren. Der Gummi in dem Raum 62 dient außerdem dazu, daß sich die Sensor baugruppe unter dem Druck oder aufgrund der Wärmeausdehnung bewegen oder verformen kann.
Die elektrischen Zuleitungen 64 sind zwischen den Außen- und den Innenflächen des Sensors 54 und den Anschlüssen 66 des Elektronikmoduls 22 angeschlossen. Diese Zuleitungen 64 führen durch den Gummi 62 und durch den Becher 51, wie weiter unten genauer erläutert ist.
Für eine zusätzliche Rauschfilterung sorgt vorzugsweise eine Einfassung 68 aus einem Material mit einer niedrigen Impedanz, die über der Gummiummantelung 60 angebracht und mit der Sensorscheibe 54 longitudinal ausgerichtet ist. Die Einfassung 68, die aus einem Material wie Epoxidharz, Gummi, Kunststoff oder dergleichen (oder gar aus Fett oder Schlamm) besteht, reduziert den Pegel des durch die stählerne Schwerstange 20 übertragenen, hochfrequenten Rauschens, das die Scheibe 54 erreicht. Die Einfassung 68 reflektiert das durch den Bohrstrang und die Schwerstange übertragene Rauschen, das die Keramikscheibe 54 erreichen könnte. Sie dient als mechanische Hochfrequenzrauschisolation oder als diesbezügliches Filter zur Erhöhung der Signal-Rausch-Leistung des Sendeempfängers 45. Eine hohe Signal-Rausch-Leistung ist unter Bohrbedingungen wichtig, unter denen der durch den Pfad 40' der Schwerstange 20 fließende Schlamm hoher Geschwindigkeit ein Rauschen im Frequenzbereich der Sendeempfängermeßwerte erzeugen könnte.
Eine Verzögerungsleitung 70 ist von der Sensorscheibe 54 nach außen hin angeordnet. Diese Verzögerungsleitung 70 sorgt für einen mechanischen Schutz der Sensorbaugruppe, er hat jedoch auch eine wichtige Funktion bei der Messung der Schallimpedanz des Bohrfluids. Die Messung der Schallimpedanz des Bohrfluids schafft eine Möglichkeit zur Erfassung eines Gaseinbruchs. Die Verzögerungsleitung 70 ermöglicht außerdem die schnelle Bohrlochabstandserfassung, wie weiter unten erläutert ist.
Die Verzögerungsleitung 70 ist aus einem Material wie Kunststoff, Epoxidharz oder Gummi hergestellt. Sie verteilt die Stoßkräfte auf ihre Außenfront über eine relativ große Fläche nach innen in Richtung der Anpassungsschicht 56. Die Verzögerungsleitung 70, die Gummiummantelung 60 und die Anpassungsschicht 56 wirken zusammen, um solche Stoßkräfte auf die Keramikscheibe 54, die von der Natur her aus sprödem Material gefertigt ist, weitgehend zu zerstreuen. Ferner ist die Verzögerungsleitung 70 in bezug auf den Becher 51 so montiert, daß sie die Sensorbaugruppe vor einem weiteren Drehmoment bewahrt, das durch die Außenfront der Verzögerungsleitung 70 und die Schwerstange 20 hervorgerufen wird, die sich am Bohrloch reiben, wenn sich der Bohrstrang in dem Bohrloch 9 dreht. Die Verzögerungsleitung schützt außerdem die Gummiummantelung 60 vor einer Beschädigung, wenn das Werkzeug 20 gegen die Wandung des Bohrlochs 9 schlägt oder an dieser schabt.
Die Verzögerungsleitung 70 ist in dem Becher 51 durch Federn 72 gelagert, die den Kontakt zwischen der Verzögerungsleitung 70 und der Gummiummantelung 60 aufrechterhalten können, selbst wenn sich die Sensorbaugruppe aufgrund der temperatur- und druckabhängigen Expansion oder Kontraktion nach außen oder nach innen bewegt.
Zusammenfassend stellt Fig. 2A dar, daß der Keramiksensor 54 sowohl akustisch als auch baulich geschützt ist. Der bauliche Schutz der Sensorscheibe 54 wird durch ihre stoßdämpfende Montage gewährleistet: in Längsrichtung durch den Stahlbecher 51 und die eng anliegende Gummiummantelung 60; nach innen durch die weiche Gummifüllung 62; und nach außen durch die Verzögerungsleitung 70 und deren gegen den Becher 51 gefederte Lagerung 72. Diese gefederte Lagerung erlaubt die Expansion und Kontraktion des Hinterlegungselements 58 unter Druck- und Temperaturschwankungen in Richtung der Außenfront des Sendeempfängers 45. Die Gummihülle 60 dient zur Abdichtung der Sensorbaugruppe gegen das einem Überdruck ausgesetzte Fluid und ermöglicht, daß deren Außenfront sich nach innen und nach außen bewegt, wobei der Kontakt mit der Verzögerungsleitung 70 aufrechterhalten wird.

2) Zweckmäßige Ausführung des Ultraschallsensors

Fig. 2B stellt eine zweckmäßige Ausführung der Sendeempfänger/Sensor-Einheit 45 der Erfindung dar. Die Sensorbaugruppe mit der Keramikscheibe 54, der Anpassungsschicht 56 und dem Hinterlegungselement 58 sind in einem Metallbecher 51 montiert.
Die Keramikscheibe 54 ist aus einem Material hergestellt, das durch eine niedrige Schallimpedanz und eine hohe innere Dämpfung gekennzeichnet ist. Es wird eine über die gesamte Oberfläche polarisierte Bleimetamobatkeramik vorgezogen. Wenn an seinen ebenen Außen- und Innenflächen eine elektrische Spannung angelegt wird, ändert sich die Dicke der Keramikscheibe geringfügig. Wenn die aufgedrückte Spannung weggenommen wird, nimmt die Keramikscheibe wieder ihre ursprünglichen Dicke an. Wenn die Keramikscheibe einer oszillierenden Spannung einer bestimmten Zeitdauer, hier Impuls genannt, unterliegt, schwingt die Keramikscheibe. Da sich die Dicke der Keramikscheibe in Antwort auf die oszillierende Spannung ändert, wird ein Schallimpuls von der Scheibe ausgesendet.
Wenn an die Scheibe keine Spannung angelegt wird, dient sie als Empfänger. Wenn eine Schallwelle oder ein Schwin gungsimpuls auf die Fläche der Scheibe fällt, wird ein elektrisches, Schwingungssignal zwischen zwei Flächen der Scheibe erzeugt.
In einem Impuls-Echo-Sensor oder -Sendeempfänger, d. h. der Keramikscheibe 54 des Sendeempfängers 45 dieser Erfindung, wird die gleiche Keramikscheibe verwendet, um einen Schallimpuls auszusenden und ein Echo des ausgesendeten Impulses zu empfangen und als Antwort darauf ein elektrisches Signal zu erzeugen.
Die Schwingungen der Keramikscheibe 54 während der Sendephase werden vorzugsweise gedämpft, bevor die Scheibe zum Empfang einer zurückkehrenden Echoschallwelle eingesetzt wird. Diese Dämpfung muß wirksam sein, da die zurückkehrenden Echoimpulse eine relativ kleine Amplitude besitzen. Mit anderen Worten sollte das den Sensor umgebende Rauschen nach der Sendephase auf einem Minimum gehalten werden.
Die Steuerung des Abklingens der ausgesendeten Schwingung ist eine Hauptfunktion des Hinterlegungselements 58. Es sollte mit der Keramikscheibe 54 in Kontakt sein, wie in Fig. 2B gezeigt ist. Das Hinterlegungselement 58 zieht die Schallenergie von der Keramikscheibe 54 ab, nachdem ein Sendespannungsimpuls an diese angelegt wird. Das Hinterlegungselement 58 absorbiert und zerstreut diese Energie, so daß diese nicht auf die Keramikscheibe 54 zurückprallt und ein Rauschsignal erzeugt, nachdem die Sendephase vorüber ist.
Spezifisch besitzt das Hinterlegungselement 58 vorzugsweise einen annähernd gleiche Schallimpedanz wie das Material der Keramikscheibe 54. Dementsprechend wird wenig Schallenergie zur Keramikscheibe 54 reflektiert, da diese auf die Grenzfläche zwischen der Keramikscheibe 54 und dem Hinterlegungselement 58 trifft. Andererseits sollte das Hinterlegungselement 58 eine hohe Schalldämpfung aufweisen, so daß die Energie in der Hinterlegung schnell gedämpft wird, wenn sich diese nach hinten in das Hinterlegungselement ausbreitet und von den Rändern zurückgeworfen wird. Es ist wichtig, daß das Hinterlegungselement aus einem Material gefertigt ist, das seine Eigenschaften einer hohen Schalldämpfung und einer mit Keramik übereinstimmenden Impedanz unter Bedingungen hohen Drucks und hoher Temperatur beibehält.
Das zweckmäßige Rohmaterial für das Hinterlegungselement 58 umfaßt nicht-vulkanisierte Gummimasse, in den Gummi gemischte Chemikalien und Vulkanisiermittel sowie Wolframpulver. Ein Mischwalzwerk wird verwendet, um die Mischungschemikalien und Vulkanisiermittel in die Gummimasse und anschließend das Wolframpulver in die zusammengesetzte Masse zu mischen. Sobald das Wolfram und der Gummi gründlich vermengt sind, wird das sich ergebende Material aus dem Walzwerk herausgenommen und unter Druck in einer aufgeheizten Tiegelpresse geschmolzen, um den endgültigen Verbundstoff zu formen und zu vulkanisieren.
Die zweckmäßigen Gummimassen sind synthetische Isobutylen-Isopren-Elastomere. Das Wolframpulver sollte von einer kleinen Körnung sein. Die Mischungschemikalien und Vulkanisiermittel umfassen kleine Mengen an ZnO-Pulver, Stearinsäure und Harz SP. Das Elastomer, das Wolframpulver, die Mischungschemikalien und Vulkanisiermittel können nach den wohlbekannten Techniken der Pulvermetallurgie im Verhältnis und in der Körnung gewählt, gemischt und verarbeitet werden, um ein Hinterlegungselement mit den oben bezeichneten Eigenschaften zu schaffen.
Die Anpassungsschicht 56 ist vorzugsweise aus einer dünnen Schicht aus 30%-igem kohlenstoffhaltigen PEEK hergestellt. PEEK ist ein Hartkunststoff mit der chemischen Bezeichnung Polyetherketon. Die optimale Impedanz der Anpassungsschicht 56 wird so gewählt, daß sie im wesentlichen gleich der Quadratwurzel der Impedanz der Keramikscheibe 54 multipliziert mit der Impedanz der Gummischicht 60 ist.
Unbehandelter PEEK-Hartkunststoff wird als Material für die Verzögerungsleitung 70 bevorzugt. Epoxidharz und Phenol können die Materialien für die Verzögerungsleitung 70 ersetzen. Die Schallimpedanz von PEEK liefert eine ausgezeichnete Schallkopplung mit schwerem Bohrschlamm. Seine Schalldämpfung ist niedrig und es besitzt gute mechanische und chemische Eigenschaften für die Anwendung im Schacht.
Vorzugsweise ist eine konkave, nach außen verblendete Mulde 71 an der Außenfront des Sendeempfängers 45 vorgesehen. Diese Mulde 71 sorgt für eine dichte Fokussierung der über die Verzögerungsleitung 70 ausgesendeten und empfangenen Energie. Diese Fokussierung verbessert die Reflexion der Bohrlochechos, wenn zerklüftete Wandungen angetroffen werden.
Diese Mulde 71 ermöglicht außerdem die Unterscheidung zwischen der Außenfront des Sendeempfängers 45 und der Bohrlochwandung, wenn die Schwerstange 20 nicht von der Bohrlochwandung beabstandet ist. Bei einem solchen "Nullabstandszustand" können die von der Außenfläche der Verzögerungsleitung 70 zurückkehrenden Echos von den Echos der Nullabstandsformation (Bohrlochwandung) unterschieden werden.
Die Tiefe der Mulde 71 in der Außenfront der Verzögerungsleitung 70 ist vorzugsweise klein, so daß die Möglichkeit, daß sich Schlammkuchen des Bohrkleins, haften der Schiefer und Schlammpartikel dort ansammeln, verhindert wird. Eine hohe Konzentration von Schlammkuchen in dem Pfad des Schallimpulses dämpft ein zurückkehrendes Bohrlochecho erheblich.
Eine Isolierummantelung 59 isoliert die Sensorbaugruppenelemente 58, 54 und 56 vor dem Eindringen von Wasser über den Stahlbecher 51. Die Isolierungsummantelung 59 enthält eine Stahlhülsen-Innenteil 61 und einen Gummimantel-Außenteil 60. Der Außenteil 60, vorzugsweise aus Viton-Gummi, sitzt über der Stahlhülse 61. Eine Rille 80 in der Stahlinnenhülse 61 faßt einen O-Ring 81, der als Abdichtung gegen ein über den Becher 51 zur Sensorbaugruppe eindringendes Bohrlochfluid dient.
Die Fluidabdichtung wird außerdem mit Hilfe des Viton- Mantel-Außenteils 60 garantiert, jedoch lastet der Bohrfluiddruck auf der Ummantelung 60, die die Sensorbaugruppe von dem Bohrschlamm trennt. Obwohl er vor dem Fluid abgedichtet ist, steht die Sensorbaugruppe somit unter dem gleichen Druck wie der Bohrschlamm.
Ein elektrisches Durchführungselement 84 ist in einer Innenbohrung des Bechers 51 vorgesehen. Ein Flansch 88 des Durchführungselements 84 befindet sich zwischen dem Bund 90 des Bechers 51 und einem unteren ringförmigen Ende 92 des Stahlhülsen-Innenteils 61 der Isolierungsummantelung. Die Rille 94 des Durchführungselements 84 faßt einen O-Ring 94, um eine Sicherheitsisolierung der Elektronikmodule 22 gegen das Fluid vom Inneren des Bechers 51 her zu schaffen. Die elektrischen Steckerstifte 64 verlaufen an einer inneren Stelle des Bechers 51 durch die Durchführung 84 und enden an den Füßen 98.
Ein dünnes Aluminiumblech 104 ist mit Hilfe eines Epoxidharzklebers in Kontakt mit der Außenfläche der Keramik scheibe 54 angebracht. Ein Aluminiumstreifen 106 erstreckt sich von dem Blech 104 nach innen zu einem Anschlußpunkt 108 in die kegelstumpfförmige Oberfläche des Hinterlegungselements 58. Ein Leitungsdraht 112 ist zwischen einem der Füße 98 der elektrischen Steckerstifte 64 und dem Anschlußpunkt 108 angebracht. Ein Leitungsdraht 110 ist zwischen dem anderen der Füße 98 der elektrischen Steckerstifte 64 und einem Messingblech 114 angebracht, das fast die gesamte konische Oberfläche des Hinterlegungselements 58 bedeckt.
Die Messingelektrode 114 enthält einige Falzen und Knicke (nicht gezeigt), um eine Wärmeausdehnung der Hinterlegung zu erlauben. Sie ist mit Hilfe eines Epoxidharzklebers an dem Hinterlegungselement 58 angebracht. Ein solcher Kleber ist nicht leitend, jedoch wird ausreichend Kontakt geschaffen, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen dem Messingblech und dem Wolframgranulat des Hinterlegungsmaterials besteht, um zwischen dem Draht 110, der Messingelektrode 114, dem Hinterlegungselement 58 und der Innenfront der Keramikscheibe 54 eine elektrische Leitung herzustellen.
Eine Verbindung des Hinterlegungselements 58 mit Hilfe der Blattelektrode 114 ist deshalb von Vorteil, weil diese ein Vorsehen einer dünnen Elektrode zwischen der Innenfläche der Keramikscheibe und dem Hinterlegungselement 58 erübrigt, da diese die dämpfende Funktion der Hinterlegung schwächen könnte. Außerdem unterliegt der Draht 110 nicht der starken Wärmeausdehnung, da er in der Nähe der inneren Spitze des konischen Abschnitts des Hinterlegungselements 58 angeschlossen ist.
Der Raum zwischen dem Inneren der Isolierummantelung 59, dem Hinterlegungselement 58 und dem Durchführungselement 84 ist nach außen hin mit RTV-Silikongummi 100 und nach innen hin mit Epoxidharz gefüllt. Der RTV-Gummi ermöglicht, daß sich der Draht 112, der von dem Fuß 98 der Steckerstifte 64 zum Anschluß 108 des Aluminiums 106 führt, bei einer Bewegung der Sensorbaugruppe 58, 54, 56 nach außen oder nach innen bewegt. Der Draht 112 verläuft in dem Gummi 100 in einer Schleife, so daß er sich bei einer radialen Bewegung der Sensorbaugruppe radial bewegen kann. Um eine starke Wärmeausdehnung jedoch einzuschränken, ist das Volumen der Füllung des RTV-Gummis 100 wegen der starken Wärmeausdehnung bei einer hohen Temperatur begrenzt. Dementsprechend wird der Innenraum mit Epoxidharz 102 gefüllt.
Das Füllen dieses Innenraums 102 mit Epoxidharz ist deshalb von Vorteil, weil die Wärmeausdehnung von Epoxidharz geringer als die von RTV-Gummi ist. Das Epoxidharz 102 dient außerdem dazu, die Spitze des konischen Abschnitts des Hinterlegungselements 58 zu zentrieren und zu befestigen und zu verhindern, daß die Keramikscheibe 54 durch mehrfache Hitze- oder Druckzyklen in dem Becher 51 nach innen versetzt wird. Dieses Epoxidharz 102 dient außerdem als Abschluß der Innenseite der Sensorbaugruppe gegen die Räume von der Innenseite des Sendeempfängers 45 her.
Ein dünner Schlauch 116 aus Nitrilgummi ist über die zylindrischen Seiten des Gummimantel-Außenteils 60 gezogen. Dieser Schlauch schafft eine gleitende Kontaktoberfläche für den Gummimantel-Außenteil 60, wenn dieser Gummimantel sich aufgrund von Temperaturschwankungen nach außen oder nach innen bewegt. Der Schlauch 116 begrenzt außerdem das Versetzen der Verzögerungsleitung 70 nach innen, wenn eine Stoßkraft auf die Außenfläche der Verzögerungsleitung 70 einwirkt. Dementsprechend schafft der Schlauch 116 einen begrenzten schockabsorbierenden Schutz der Keramikscheibe 54, wenn der Sendeempfänger 45 während des Bohrens eines Bohrlochs in Betrieb ist.
Eine Einfassung 118 ist in der Nähe der Keramikscheibe 54 über der Ummantelung 60 und dem Schlauch 116 angebracht. Sie ist aus einem Material mit einer niedrigen Schallimpedanz hergestellt, um die Schallreflexion und somit die Isolierung der Scheibe 54 gegen das Rauschen, das durch das Bohren, Pumpen oder Fließen des Fluids bei hoher Geschwindigkeit durch das Bohrgestänge 6, die Schwerstange 20 und die Krone 30 aus Stahl übertragen wird, zu verbessern. Die Bohrungen 120 in dem Fülleinfassung 118 verschaffen Raum, um den Druck in dem Einfassungsraum zwischen dem Schlauch 116 und dem Becher 51 abzuschwächen.
Die Wellenfedern 72 dienen zwischen den Flanschen 122 der Verzögerungsleitung 70 und dem Bund 123 der Fensterschraube 125 dazu, die Verzögerungsleitung 70 nach innen gegen das äußere ringförmige Ende des Schlauchs 116 und der Außenfläche der Ummantelung 62 zu drücken. Die Fensterschraube 125 ist über ein Gewinde im Becher 51 befestigt. Somit dienen die Federn 72 nicht nur dazu, das Fenster 70 exakt gegen die Ummantelung 62, die Anpassungsschicht 56 und die Keramikscheibe 54 zu drücken, sondern auch zum Schutz der Keramikscheibe 54 vor Stößen gegen die Außenfront der Verzögerungsleitung 70. Solche Stöße werden teilweise durch den Schlauch 116, die Ummantelung 62, das Hinterlegungselement 58 und die RTV-Gummifüllung 100 absorbiert.
Die in den abgestimmten Bohrungen des Bechers 51 und der Verzögerungsleitung 70 angeordneten Stifte 124 verhindern ein Verdrehen der Verzögerungsleitung 70 in bezug auf die Sensorbaugruppe. Dementsprechend werden die durch Reibungskontakt mit der Bohrlochwandung 9 während der Werk zeugdrehung hervorgerufenen Schubkräfte auf die Verzögerungsleitung 70 nicht auf die Sensorbaugruppe übertragen.
Der Becher 51 enthält zwei Bohrungen 128, 130, die senkrecht zur Achse des Sensors 45 liegen. Wenn ein Stift in die Bohrung 128 eingesetzt ist, ist die Fensterschraube 125 gegen Drehung gesichert. Wenn ein Stift in die Bohrung 130 eingesetzt ist, ist der Becher 51 gegen Drehung gesichert, wodurch die Fensterschraube 125 gegebenenfalls entfernt werden kann. Die O-Ringrillen 132, 134, in die O-Ringe eingelegt werden, wenn der Becher 51 in einer Vertiefung der Schwerstange 20 gelagert wird, sorgt für eine Abdichtung des Inneren der Schwerstange 20 gegen das Bohrfluid in dem Ringraum 10.
Um die Genauigkeit der Kaliber- oder Lochdurchmessermessung zu verbessern und den mit dem Sendeempfänger 45 dieser Erfindung erfaßbaren Lochgrößenbereich zu erweitern, sind der Sendeempfänger 45 nach Fig. 2A und 2B vorzugsweise auf oder nahe den Stabilisierungsschildern 27 der Schwerstange 20 montiert, wie in Fig. 1 und 1A dargestellt ist. Die Genauigkeit der Ultraschallmessung ist aus verschiedenen Gründen verbessert.
Erstens gibt es, wenn der Sendeempfänger auf einer Stabilisierungsflosse montiert ist, weniger Schlamm, durch den ein ausgesendeter Impuls vom Sensor zur Bohrlochwandung und zurück durchqueren muß. Zweitens tritt in der Nähe der Stabilisierungsschilder eine geringere Exzentrizität oder ein geringeres Verkanten des Werkzeugs 20 in dem Bohrloch 9 auf, so daß der durch zwei diametral entgegengesetzte Sendeempfänger gemessenen Abstände (Standoffs) zu einem genaueren Maß für einen Durchmesser des Bohrlochs führt. Idealerweise sollte der Bohrlochdurchmesser senkrecht zu den Bohrlochwandungen gemessen werden.
Drittens tritt bei einer kürzeren Entfernung zwischen dem Sensor und der Bohrlochwandung eine geringere Streuung des Schallstrahls auf, was zu einer stärkeren Signalreflexion von der Bohrlochwandung zurück zum Sendeempfänger führt. Viertens können bei kürzeren Standoff-Entfernungen, insbesondere dann, wenn die Sendeempfänger 45, 46 auf Stabilisierungsschildern montiert sind, höhere Schallfrequenzen verwendet werden, wodurch die Genauigkeit der Erfassung des ersten Bohrlochechos verbessert wird. Nicht zuletzt ist wichtig, daß die Messung des Durchmessers des Bohrlochs mit einem im Bohrloch zentrierten Werkzeug durchgeführt wird, so daß der wirkliche Durchmesser des Bohrlochs gemessen anstatt einem Kreissegment dieses Bohrlochs. Ist der Sendeempfänger auf einer Stabilisierungsflosse einer Schwerstange oder auf einer Schwerstange mit Stabilisierungsflossen vorgesehen, zentriert dies die Schwerstange in dem Bohrloch und führt dazu, daß die Abstandsmessung mit dem Sendeempfänger und der dazugehörigen Elektronik genauer ist.

3) Elektronikmodul

Der Elektronikmodul 22 der Schwerstange 20 ist in Fig. 3A dargestellt. Dieses Modul ist mit den Anschlüssen 66 verbunden, die wie oben erläutert mit den auf der Schwerstange 20 montierten Sensoren 45 und 46 verbunden sind. Eine schachtinnere Batterie 150 ist vorzugsweise in dem Modul 22 als Gleichspannungsquelle vorgesehen. Weitere Quellen für die elektrische Leistung sind dem Fachmann für schachtinnere Werkzeugentwicklung selbstverständlich bekannt. Eine Hochspannungsversorgung erhöht die Gleichspannung zur Versorgung des Impulsgebers 154, der eine hochfrequente Schwingung mit einer zweckmäßigen Frequenz von ca. 670 kHz erzeugt. Der Computer 160 und der Impulsgeber 154 leiten kurze Bündel dieser hochfrequenten Spannungsschwingungen zuerst zu den Zuleitungen 156, um diese Bündel an den Sensor 45 anzulegen, und nachdem eine Empfangszeit für den Sensor 45 vorüber ist, anschließend zu den Zuleitungen 158, um diese Bündel an den Sensor 46 anzulegen. Natürlich können auch ein einzelner Sensor oder mehr als zwei eingesetzt werden, jedoch werden zwei diametral entgegengesetzte Sensoren für die obenbeschriebene Messung vorgezogen.
Die empfangenen Spannungsimpulse oder Rückechos, die auf jedes Bündel von Schallimpulsen folgen, werden an den Zuleitungen 64 der Sensoren 45 und 46 erfaßt. Diese Spannungen werden über die Zuleitungspaare 162, 164 an den Multiplexer 166 angelegt. Der Multiplexer 166 wiederum leitet, gesteuert von dem Computer 160, die Rückechos zuerst zum Hochpaßfilter 168, durch das die niederen Frequenzen ausgesondert werden.
Ein Verstärker 170 mit veränderbarer Verstärkung verstärkt das Rücksignal, das anschließend durch die Schaltungen 172, 174 und 176 gefiltert, gleichgerichtet und durch ein Tiefpaßfilter geschickt wird. Die Verstärkung des Verstärkers 170 wird erhöht, wenn der Computer 160 Rückechos mit einer kleinen Amplitude erfaßt. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 176 ist eine Hüllkurve der hochfrequenten Spannungsrückechos, die nacheinander durch die Sensoren 45 und 46 erzeugt werden. In der zweckmäßigen Ausführung einer Vorrichtung dieser Erfindung geschieht die Digitalisierung der Hüllsignale an der Zuleitung 177 nach einem Signalverarbeitungs- und Sensoraktivierungsprotokoll 200 des Computers. Das Hüllsignal an der Zuleitung 177 wird auf diese Weise anstatt mit einem herkömmlichen A/D-Wandler digitalisiert, um die knappe elektrische Leistung für eine schachtinnere Messung während langer Bohrperioden zu bewahren.
Die Digitalisierungssoftware und die Aktivierungsmuster sorgen für die Digitalisierung des Hüllsignals an der Zuleitung 177 durch N-faches Aktivieren eines gegebenen Sensors (d. h. des Sensors 45 oder 46), wobei N vorzugsweise zwischen 5 und 15 liegt. Jede Aktivierung wird mit einer kleineren Schwelle (oder höheren Verstärkung) ausgeführt. Für jede Verstärkung/Schwelle-Kombination wird eine korrekte Verzögerung eingestellt, um eine Erfassung des Rauschens zu vermeiden.
Fig. 3B stellt ein Aktivierung/Echo-Muster dar, das achtmal wiederholt wird. Es sind acht Zähler vorgesehen, von denen jeder einem der acht Schwellenpegel zugeordnet ist. Jeder Zähler zeichnet die Zeit eines Überschreitens seiner Schwelle auf. Wenn eine eingestellte Zeit erreicht wird (z. B. 200 Mikrosekunden), zeichnet der Prozessor die jedem Zähler zugeordnete Anzahl der Schwellenüberschreitungen des Hüllsignals an der Zuleitung 177 auf. In Fig. 3B repräsentieren die Punkte auf der Signalhüllkurve die Stelle der Signalerfassung. Die Formationsechoamplitude der Überschreitung C13 liegt zwischen den Schwellen (1) und (2). Ihre Spitzenamplitude tritt zu einer Zeit auf, die der Überschreitung C13 zugeordnet wird. Es kann gesehen werden, daß das Hüllsignal an der Zuleitung 177 durch die Mehrfachaktivierung-Mehrfachschwellen-Technik mit der obenbeschriebenen Mehrfachzähler-Softwareprozedur digitalisiert wird.
Nach der Digitalisierung werden diese Hüllsignale der Echosignale in dem Computer 160 nach den weiter unten beschriebenen Verfahren verarbeitet. Die für die Verarbeitung der Hüllkurven der Rücksignale repräsentativen Signale werden im Speicher 180 des Moduls gespeichert oder zum MWD-Werkzeug 29 für eine Übertragung an die Oberflächeninstrumentalisierung 7 zur Weiterverarbeitung weitergeleitet.

Verzögerungsleitung und Bohrlochechobestimmung

Die Messung des Abstands und des Bohrlochdurchmessers ist in Fig. 4 und 5 schematisch dargestellt, wobei der Sendeempfänger 45 das Hinterlegungselement 58, die Keramikscheibe 54 und die Verzögerungsleitung 70 enthält. Ein hochfrequent schwingender Spannungsimpuls V wird der Keramikscheibe 54 aufgedrückt, die darauf mit dem Aussenden eines hochfrequenten Schallimpulses, der als Pfeil (1) in der Verzögerungsleitung 70 dargestellt ist, antwortet. Die Rückechos werden durch die Keramikscheibe 54 erfaßt, und den Zuleitungen 64 wird eine Spannung, die die Rückechos repräsentiert, aufgedrückt. In der Darstellung ist nur ein Taktzyklus für den Sendeempfänger angedeutet.
Wenn der Schallimpuls (1) die Grenzfläche zwischen der Verzögerungsleitung 70 und dem Bohrfluid in dem Ringraum 10 erreicht, wird eine Teil des Schallimpulses über die Grenzfläche und in den Ringraum übertragen, wie durch den Pfeil (5) angedeutet ist. Ein Teil des Schallimpulses wird zur Keramikscheibe 54 zurück reflektiert, wie durch den Pfeil (2) angedeutet ist. Die Amplitude des reflektierten Signals (2) hängt von der Differenz zwischen der Schallimpedanz des Bohrfluids und der Schallimpedanz der Verzögerungsleitung 70 ab.
Der reflektierte Schallimpuls oder das "Echo" (2) stößt auf die Keramikscheibe 54 und erregt diese. Diese mechanische Erregung erzeugt ein elektrisches Signal, das für die Amplitude und Verzögerungszeit des Schallechos repräsentativ ist. Das Signal wird wie oben beschrieben durch das Elektronikmodul 22 verstärkt und zu dem schachtinneren Computer 160 geführt. Ein erstes Verzögerungsleitungsecho wird als Impuls (2) in Fig. 5 erfaßt, der um eine Zeit T1 nach dem ausgesendeten Schallimpuls auftritt, der als Impuls (1) angedeutet ist.
Die Schallwellen in der Verzögerungsleitung 70 prallen zwischen der Keramikscheibe 54 und dem Bohrfluid des Ringraums 10 zurück und vor. Bei jeder Reflexion wird die Amplitude der Schallwelle kleiner, da ein Teil der Energie durch die Grenzfläche hindurch übertragen wird und da natürlich Energie eines reflektierten Impulses verloren geht. Diese zurück und vor prallenden Echos, sind als Wellen (3) und (4) in Fig. 4 angedeutet. Das Schallimpulsecho (4) wird von dem Verstärker 170 und dem Computer 160 zur Zeit 2T1 erfaßt.
Ein Anteil des Impulses (1) wird in das Bohrfluid des Ringraums 10 übertragen, wie durch den Pfeil (5) angedeutet ist. Der Impuls (5) prallt auf die Formationsgrenzfläche 9 auf oder wird von dieser reflektiert, und ein Schallimpulsecho (6) breitet sich in Richtung der Verzögerungsleitung 70 aus. Ein Teil der Energie des Echoimpulses (5) wird in die Formation übertragen.
Das Echoimpulssignal (6) erreicht die Verzögerungsleitung 70, wo ein Teil seiner Energie in die Verzögerungsleitung als Impuls (7) übertragen wird. Dieser Impuls breitet sich durch die Verzögerungsleitung 70 aus und erregt die Keramikscheibe 54. Diese Erregung wird als Ausgangssignal des Verstärkers 170 oder des Computers 160 zur Zeit T2 in Fig. 5 erfaßt.
Mehrfachechos können insbesondere in einem dünnflüssigen Bohrfluid erfaßt werden, in dem die Schalldämpfung gering ist. Ein Beispiel eines Mehrfachechos ist durch die mit den Pfeilen (8) und (9) dargestellten Schallimpulse gezeigt. Fig. 5 stellt die Mehrfachechoerfassung der Verzögerungsleitungsechos der Impulse (2) und (4) und der Bohrlochechos der Impulse (7) und (9) dar.
Wie in Fig. 1 dargestellt können Gaseinbruchblasen 19 aus Formationen, die die Krone durchbohrt, in das Bohrfluid in dem Ringraum 10 eindringen. Diese Blasen schwimmen an den Sendeempfängern 45, 46 vorbei und ziehen vor diesen vorbei. Die Schalldämpfung und die Schallimpedanz des Bohrfluids werden durch das Gas verändert. Die Signalverarbeitung des Elektronikmoduls 22 nach Fig. 3A erfaßt solche Änderungen der Bohrfluideigenschaften.
Fig. 6A, 6B bis 9A, 9B stellen verschiedene Kategorien von Rückechomustern dar, die das Ergebnis der Meßvorrichtungskonfiguration, der Bohrlochgeometrie, des Bohrkleins und der Gasblasen in dem Bohrfluid sind. Fig. 6A, 7A, 8A und 9A stellen jeweils die Bedingungen eines sauberen Schlamms, von Bohrklein in dem Schlamm, einer geringen Gasmenge in dem Schlamm und einer großen Gasmenge in dem Schlamm dar. Fig. 6B, 78, 88 und 98 stellen die verschiedenen Echosignalantworten dar, die nach den Bedingungen aus Fig. 6A, 7A, 8A und 9A erwartet werden. Die "B"- Diagramme der Figuren stellen die Hüllkurve des Spannungsausgangssignals des Verstärkers 170 nach der Gleichrichtung des Rückimpulses durch den Gleichrichter 174 aus Fig. 3A dar. Diese "B"-Diagramme sind Darstellungen der Spannungsamplitude über der Zeit. Die Zeit ist auf den Erregungsimpuls (1) bezogen, der als Sättigung des Verstärkers 170 gezeigt ist. Dieser Erregungsimpuls (1) wird in dem oben im Zusammenhang mit Fig. 3B beschriebenen Digitalisierungsverfahren ausgeblendet.
Nach dem Aktivieren des als Impuls (1) dargestellten Erregungsimpulses wird ein Echo von der Vorderfrontgrenzfläche zwischen der Verzögerungsleitung 70 und dem Bohrfluid in dem Ringraum 10 auf die Keramikscheibe 54 als Impuls (2) zurückgeworfen. Zu einer späteren Zeit wird das als Impuls (3) angedeutete Formationsecho auf die Keramikscheibe 54 zurückgeworfen. Die an die Keramikscheibe 54 angelegte Erregungsspannung wird auf einem konstanten Pegel gehalten. Dementsprechend resultieren die Echoamplituden aus einem ausgesendeten Impuls mit konstanter Amplitude.
Die Amplitude des Verzögerungsleitungsechos (2) hängt in zweiter Linie von der Dämpfung in den Anpassungsschichten 56 und der Gummischicht 60 (in Fig. 2A, 2B dargestellt, jedoch nicht in Fig. 4ff) und der Verzögerungsleitung 70 ab. Üblicherweise ändert sich die Dämpfung der Anpassungsschicht mit der Temperatur geringfügig. Die Amplitude des Verzögerungsleitungsechos (2) hängt jedoch in erster Linie von der Kopplung mit dem Bohrfluid ab, da der Reflexionskoeffizient an der Verzögerungsleitung- Bohrfluid-Grenzfläche mit der Schallimpedanz des Fluids zusammenhängt. Mit anderen Worten
wobei RDL der Reflexionskoeffizient ist, ZMUD die Schallimpedanz des Bohrfluids ist und ZDL die Schallimpedanz der Verzögerungsleitung ist.
Die Bohrlochechoamplitude (d. h. das Echo von der Formationswandung des Bohrlochs) hängt von verschiedenen Parametern ab. Einer dieser Parameter ist die Schalldämpfung des Bohrfluids. Die Schalldämpfung des Bohrfluids steigt bei einer gegebenen Frequenz nahezu linear mit der Schlammdichte an. Aufrund dieses Effekts kann sich der Formationsechoimpuls (3) aus Fig. 6B um den Faktor 100 bei veränderlichen Standoff-Entfernungen und veränderlicher Schlammdämpfung ändern.
Ein weiterer dieser Parameter ist das Reflexionsvermögen Rf der Formationswandung. Dieses Wandungsreflexionsvermögen hängt von der Schallimpedanz der Formation Zf und der Zerklüftung der Formation ab. Eine Änderung des Reflexionsvermögens der Bohrlochwandung kann die Amplitude des Bohrlochechoimpulses um den Faktor 10 beeinflussen.
Ein weiterer, die Amplitude des Bohrlochechoimpulses beeinflussender Parameter ist der Grad an Parallelität zwischen der Sensorfront und der Bohrlochwandung. Die Amplitude kann sich aufgrund dieses Parallelitätsfaktors um einen Faktor 10 ändern. Mit anderen Worten ergibt sich das stärkste Bohrlochsignal, bei gleichbleibenden anderen Faktoren, wenn der Sendeempfänger senkrecht zur Bohrlochwandung ist.
Weitere, die Amplitude des Bohrlochechos beeinflussende Faktoren umfassen die Schalldämpfung der Verzögerungsleitung und die Kopplung zwischen dem Bohrfluid und der Verzögerungsleitung. Diese Kopplung ändert sich mit der Dichte des Bohrfluids (üblicherweise erhöht sie sich mit steigender Dichte), da die Schallimpedanz des Schlamms von der Dichte des Schlamms abhängt. Jeder der Faktoren Verzögerungsleitungsdämpfung und Schlamm-Verzögerungsleitung-Kopplung kann die Amplitude des Bohrlochechos um den Faktor 2 beeinflussen.
Fig. 7A stellt die Situation und die Auswirkungen von im Bohrfluid vorhandenem Bohrklein dar. Jedes Bohrklein reflektiert einen Teil des ausgesendeten Schallimpulses zur Keramikscheibe 54 zurück. Im Ergebnis erzeugt jedes Bohrklein am Ausgang des Verstärkers ein Signal. Solche Bohrkleinechos sind in Fig. 7B als Echos (20), (22) angedeutet. Ihre Amplitude hängt in erster Linie von der Größe des Bohrkleins und der Schalldämpfung im Schlamm ab. Bei einem Schlamm mit geringer Schalldämpfung führt das meiste Bohrklein üblicherweise zu Signalen, die kleiner als das Bohrlochecho (3) oder diesem gleich sind. Bei einem Schlamm mit hoher Schalldämpfung wird das Bohrlochecho (3) in einem stärkeren Maß als die Bohrkleinechos (20), (22) gedämpft, da es stets von der Scheibe 54 weiter entfernt ist. In diesem Fall kann das Bohrlochecho (3) kleiner als die Bohrkleinechos (20), (22) werden.
Fig. 8A stellt die Situation und die Auswirkungen einer kleinen Menge von Gas im Schlamm dar, das üblicherweise in Form von kleinen Gasblasen auftritt. Unter dieser Bedingung erhöht sich die Schalldämpfung des Schlamms. Im Ergebnis wird die Amplitude des Bohrlochechos (3), wie in Fig. 8B dargestellt ist, kleiner. Das Verzögerungsleitungsecho (2) ändert sich geringfügig, da bei einer leicht erhöhten Gaskonzentration die Schlammimpedanz geringfügig abnimmt. Da die Impedanz der Verzögerungsleitung normalerweise höher als die Impedanz des Schlamms ist, wird das Verzögerungsleitungsecho (2) bei einem leichten Anstieg des im Schlamm konzentrierten Gases geringfügig stärker.
Fig. 9A stellt den Fall einer großen Gaskonzentration von kleinen Blasen aufgrund eines Gaseinbruchs in den Bohrschlamm in dem Ringraum 10 dar. Große Gaskonzentrationen sind üblicherweise als Gasanteile definiert, die 1% oder mehr des Schlammanteils entsprechen. Für eine solche Gaskonzentration kann die Schalldämpfung des Schlamms 15 dB/cm erreichen, so daß das Bohrlochechosignal (3) stark gedämpft wird. Eine solche kleine Amplitude des Bohrlochechos (3) kann dessen Erfassung schwierig machen. Die Amplitude des Verzögerungsleitungsechoimpulses (2) steigt mit der Gaskonzentration in dem Schlamm um bis zu 10% an.
Fig. 9C und 9D sind Fig. 9A und 9B ähnlich, stellen jedoch den Fall großer Gasblasen in dem Ringraum 10, die auf ihrem Weg zur Oberfläche des Bohrlochs an dem Sensor 45 vorbeiziehen, dar. Solche großen Blasen können ein Echo wie jenes an der Stelle (4) in Fig. 9D erzeugen, das die gleiche relative Amplitude wie das Verzögerungsleitungsecho (2) besitzt. Es wurde herausgefunden, daß die Phase eines Echos von großen Blasen (4) entgegengesetzt oder um 180º gegenüber der Phase anderer Echos verschoben ist. Mit anderen Worten ist das Signal (4) aus Fig. 9D eine gleichgerichtete Hüllkurve eines hochfrequenten Impulses, der um 180º gegenüber der Phase anderer Echoimpulse verschoben ist. Der Phasendetektor 173 erfaßt eine solche Phasenverschiebung des Schwingungssignals der rückkehrenden Echos und sendet ein Signal zum Computer 160, wenn eine solche Bedingung erfaßt wird.
Die Tatsache einer Phasenverschiebung eines Echoimpulses um 180º schafft ein Mittel zur Identifizierung großer Gasblasen; d. h., daß zuerst die Phase eines jeden Echos bestimmt wird. Wenn eine solche Phase um 180º gegenüber jener des Verzögerungsleitungsechos verschoben ist, repräsentiert ein solches Echo eine große Gasblase. In diesem Fall wird, gesteuert von dem Computer 160, ein Signal über die MWD-Untereinheit 29 zur Oberflächeninstrumentalisierung gesendet, so daß ein Alarm erzeugt werden kann, um den Bohrführer hinsichtlich der Tatsache zu warnen, daß eine große Gasblase zur Oberfläche wandert, die nahe der Sohle des Bohrlochs erfaßt worden ist.
Das gespeicherte Programm 200 des Computers 160 hat intern eine Echobestimmungslogik zur Unterscheidung von Bohrlochechos und Verzögerungsleitungsechos von Bohrkleinechos und anderen Nebensignalen gespeichert. Diese Logik basiert zum Teil auf folgenden Überlegungen.
Die Formations- oder Bohrlochwandung ist der am weitesten entfernte Reflektor. Das Bohrklein befindet sich stets näher an der Keramikscheibe 54 als die Bohrlochwandung. Wird der Fall doppelter Echos außer Acht gelassen, sollte das Bohrlochecho stets das letzte Echo sein.
Unter den meisten Bohrbedingungen wird das Bohrklein stets in dem Pfad des Schallstrahls gegenwärtig sein. Je größer das Bohrklein ist, desto weniger einzelne Bohrkleinechos treten auf.
In einem Bohrfluid geringer Dämpfung erzeugt das Bohrklein zumeist ein schwächeres Echo als die Formation.
In einem Bohrfluid starker Dämpfung ist es möglich, daß das Bohrkleinechosignal größer sein kann als das Formationsechosignal, wenn der Unterschied in der Schallpfadlänge relativ groß ist.
Nach dem Auftreffen eines Echos auf dem Sensor erhöht sich das Sensorrauschen durch das Rauschen dieses Echos. Dieses Rauschen klingt auf den Pegel des Sensorrauschens ab.
Kleiner Bohrschutt (jener, der kleiner als 1 mm im Durchmesser ist), ruft ein Anwachsen des Grundrauschens hervor, kann jedoch nicht im einzelnen erkannt werden.
Fig. 10, 11 und 12 stellen verschiedene Bedingungen dar, die die Verarbeitungslogik des Programms 200 berücksichtigt. Der logische Ablaufplan aus Fig. 13 umreißt die logischen Schritte des gespeicherten Programms 200.
Fig. 10 stellt das Ausgangssignal des Gleichrichters 174 (Fig. 3) dar, das dem Fall entspricht, bei dem mehrere verschiedene Echos (24), (25), (26), (28) vor dem Bohr lochecho (3) erfaßt werden. Der von der Keramikscheibe 54 ausgesendete Impuls wird als Verstärkersättigung (1) dargestellt, die während der Digitalisierung elektronisch ausgeblendet wird. Das Verzögerungsleitungsecho ist das Echo (2).
Der logische Schritt 202 in Fig. 13 identifiziert Formations- und Bohrkleinechos, die nach dem Verzögerungsleitungsecho (2) auftreten. Das Verzögerungsleitungsecho (2) ist das erste Echo, wobei die Verzögerungsleitung 70 nur eine Grenzfläche mit dem Bohrfluid besitzt. Das gespeicherte Programm 200 speichert die Amplitude und die Ankunftszeit jedes der Echos, die nach dem Verzögerungsleitungsecho auftreten. Für die Echomuster aus Fig. 10 werden die Echos (24), (25), (26), (28) und (3) gespeichert.
Der Logikkasten 204 in Fig. 13 stellt dar, daß Rauschechos ausgesondert werden, indem gefordert wird, daß jedes zu einer bestimmten Zeit auftretende Echo für diese Zeit über einem minimalen Signalpegel liegen muß. Diese Forderung garantiert die Aussortierung von Echos des Sensorrauschens. Der Akzeptanzpegel nimmt mit der Zeit nach der Erregung ab, da das Sensorrauschen nach der Erregung schnell abklingt. Mit anderen Worten wird die Amplitude jedes Echos mit einer vorgegebenen Funktion Amin(TN) verglichen, wobei TN die Echoverzögerungszeit auf den Erregungsimpuls ist. Die Verarbeitung erfaßt vorzugsweise eine begrenzte Anzahl von Echos (im Bereich von 2 bis 12). Die stärkeren Echos werden für eine weitere Verarbeitung gespeichert. Wird diese Logik auf Fig. 10 angewandt, werden die Echos (24), (25), (26), (28) und (3) akzeptiert.
Der nächste als Logikkasten 206 in Fig. 13 dargestellte logische Schritt garantiert, daß jedes folgende Echo eine mit der Zeit abnehmende Amplitude hat. Mit anderen Worten muß die Amplitude jedes folgenden Echos kleiner als die des vorhergehenden Echos sein. Wenn nicht, wird das vorhergehende aus der Liste der Echos gestrichen. Diese Verarbeitung basiert auf der Logik, daß, wenn eine starkes Echo nach einem schwachen ankommt, das starke Echo einem stärkeren Reflektor entspricht. Dieser stärkere Reflektor ist entweder großer Bohrschutt oder die Bohrlochwandung, jedoch kann das zuerst ankommende schwächere Echo nicht von der Bohrlochwandung stammen. In Fig. 10 wird das Echo (24) aufgrund des Kriteriums des Logikkastens 206 in Fig. 13 verworfen.
Jedes Echo muß sich zeitlich von jedem anderen Echo um eine vorgegebene Minimalzeit unterscheiden, um Mehrfacherfassungen des gleichen Signals zu vermeiden. In Fig. 10 wird das Echo (28) durch dieses Kriterium ausgesondert, da es ein Rauschabkömmling des Echos (26) ist. Der Logikkasten 208 legt dieses Kriterium fest.
Die Verzögerungsleitungsechos und Bohrlochechos berücksichtigende Logik der Erfindung definiert zu Anfang das Echo (3) der Darstellung in Fig. 10 als "temporäres Formationsecho". Es ist das zuletzt erfaßte. Vor der endgültigen Entscheidung, daß dieses Echo tatsächlich das Bohrlochecho ist, werden zwei zusätzliche Prüfungen durchgeführt: erstens, das Echo darf kein doppeltes Echo des Echos (26) sein; und zweitens, das Echo (3) darf kein durch das Echo (26) erzeugtes Rauschecho sein.
Wenn eine dieser zwei Prüfungen durch das Echo (3) nicht bestanden wird, dann wird dieses ausgesondert und das Echo (26) (Anm.: das Echo (28) wurde bereits ausgesondert) vorübergehend als das "temporäre Formationsecho" definiert. Die gleichen zwei Akzeptanzprüfungen werden für dieses temporäre Formationsecho und das unmittelbar vorhergehende Echo durchgeführt. Wenn diese Prüfungen erfolgreich sind, wird das Echo (26) akzeptiert. Wenn nicht, wird die Suche fortgesetzt. Eine endgültige Lösung existiert immer, da wie oben das "temporäre Formationsecho" nicht mit einem vorhergehenden Echo verglichen werden kann, wenn es unmittelbar nach dem Verzögerungsleitungsecho ankommt.
Die vorhergehende Prozedur kann dazu führen, daß ein doppeltes Formationsecho als Formationsecho akzeptiert wird. Um diese Möglichkeit zu berücksichtigen, wird eine Prüfung mit zwei aufeinanderfolgenden Echos durchgeführt. Diese Doppelecho-Akzeptanzprüfung des "temporären Formationsechos" überprüft, daß diese Echoverzögerungszeit nicht annähernd das Zweifache der Ankunftszeit des vorhergehenden Echos ist. Wie in Fig. 11 dargestellt ist, wird das Echo (30) als "temporäres Formationsecho" akzeptiert. Jedoch ist seine Ankunftszeit ungefähr gleich dem Zweifachen der Ankunftszeit des Echos (3). Dementsprechend wird das Echo (30) ausgesondert, und das Echo (3) wird zum "temporären Formationsecho". Da es nach dem Verzögerungsleitungsecho kein vorhergehendes Echo gibt, wird das Echo (3) zur endgültigen Lösung als Bohrloch- oder Formationsecho. Diese Logik ist als Logikkästen 210, 212 dargestellt, worin die Verzögerungszeit des temporären Formationsechos mit der zweifachen Verzögerungszeit jedes vorhergehenden Echos verglichen wird.
Die letzte Prüfung, die ein "temporäres Formationsecho" erfolgreich zu durchlaufen hat, bevor es als endgültiges akzeptiert wird, ist die Prüfung eines zusätzlichen Rauschens aufgrund eines vorhergehenden Echos. Jedes Echo erhöht nach seinem Auftreffen das Rauschen in dem Sensor. Dieses Rauschen klingt mit der Zeit ab. Dieser Rauschpegel kann während seiner Erfassungszeit über dem Mindestpegel liegen. Dieser Mindestpegel wird für eine "ruhige" Situation bestimmt. Dementsprechend muß das Formationsecho, in Abhängigkeit seiner Verzögerungszeit für den Fall eines "ruhigen Sensors", wenigstens über diesem Mindestpegel liegen. Jedoch muß es im Fall eines vorhergehenden, bereits erfaßten Echos über dem durch dieses Echo erzeugten Rauschen liegen.
Die einfachste Implementierung ist, daß garantiert wird, daß die Amplitude des "temporären Formationsechos" in einem bestimmten Maß über der Amplitude des vorhergehenden Echos liegt. Ein Beispiel ist in Fig. 12 gezeigt. Das Echo (32) repräsentiert ein durch das Echo (3) erzeugtes Rauschen. Diese Prüfung sondert das Echo (32) aus, und das Echo (3) wird als "temporäres Formationsecho" akzeptiert. Dieses Echo (3) kann als nächstes mit dem vorhergehend auftretenden Echo verglichen werden, falls eines vorhanden ist, um zu bestimmen, welches Echo endgültig als Bohrloch- oder Formationsecho akzeptiert wird. Der Logikschritt 214 in Fig. 13 beschreibt diese Prüfung der Bestimmung, ob ein Echo das Ergebnis eines induzierten Sensorrauschens ist.
Die Amplitude des letztendlich akzeptierten Formationsechos wird zusammen mit seiner Verzögerungszeit gegenüber dem ausgesendeten Impuls und der wirklichen Zeit der Messung gespeichert. Dieser Schritt ist in dem Logikkasten 216 in Fig. 13 dargestellt.

Bestimmung des Abstands und des Bohrlochdurchmessers

Die Bohrlochverzögerungszeit Tn, die nach dem Prozeß aus Fig. 13 im Speicher 180 gespeichert wird, stellt die zur Bestimmung des Abstands (Standoffs) erforderliche Information bereit. Der Abstand ist die Entfernung zwischen der Vorderfront der Verzögerungsleitung 70 und der Wandung des Bohrlochs 9. Eine Bestimmung des Abstands und des Durchmessers des Bohrlochs bei der Tiefenposition der Sendeempfänger 45, 46 in dem Bohrstrang in dem Bohrloch liefert dem Bohrführer eine wertvolle Information. Solche Messungen können im Schacht im Speicher 180 gespeichert werden oder zu einem MWD-Werkzeug 29 zur Übertragung zur Oberflächeninstrumentierung 7 (Fig. 1) weitergeleitet werden. Beide Verfahren (schachtinnere Speicherung und Übertragung an die Oberfläche während des Bohrens) können gleichzeitig durchgeführt werden. Das Werkzeug 20 dient als herkömmliche Bohrschwerstange (indem es der Bohrkrone Gewicht hinzufügt), auch wenn gleichzeitig die oben und weiter unten beschriebenen Messungen durchgeführt werden.
Die Verzögerungszeit des Bohrlochechos hängt direkt mit dem Abstand des Sendeempfängers 45 oder 46 von der Bohrlochwandung zusammen. Mit anderen Worten
Abstand = VST/2
wobei VS die Schallgeschwindigkeit und T die gemessene, um die Verzögerungszeit der Verzögerungsleitung korrigierte Verzögerungszeit ist.
Ein numerischer Wert für die Schallgeschwindigkeit für die obige Formel zur Bestimmung des Abstands wird vorzugsweise für einen gegebenen Druck und eine gegebene Temperatur einer Tabelle entnommen. Die Schallgeschwindigkeit ändert sich mit dem Druck und der Temperatur in dem interessierenden schachtunteren Bereich nur geringfügig.
Die Abstandsmessung mit einem Sendeempfänger ermöglicht die statistische Auswertung des Lochdurchmessers, wenn sich das Werkzeug dreht (was der Normalfall während des Bohrens ist). Während der Drehung sendet der Sendeempfänger 45 den Schallimpuls, der sich ändern kann, wenn sich das Werkzeug dreht, durch den Schlammspalt zwischen dem Werkzeug und der Bohrlochwandung. Die gemessenen Abstände werden für die statistische Verarbeitung gesammelt, so daß nach einigen Drehungen der mittlere Lochdurchmesser berechnet werden kann. Die beste Frequenz für die Messung ist erreicht, wenn mehrere Abstände pro Sekunde ausgewertet werden können. Da die übliche Bohrstrangdrehzahl zwischen 50 und 200 Umdrehungen pro Minute beträgt, werden bei einer mittleren Akkumulationszeit von 10 bis 60 Sekunden genügend Daten für eine genaue Mittelwertbildung gesammelt.
Der auf nur einem Sendeempfänger basierende mittlere Lochdurchmesser wird dann berechnet durch:
Lochdurchmesser = Werkzeugdurchmesser + 2 · Abstandsmittelwert
Das Hinzufügen eines zweiten Sendeempfängers 46, der dem Sendeempfänger 45 diametral gegenüber liegt, verbessert die Durchmessermessung, wenn während des Bohrens die Werkzeugmittelachse nicht mit der Schachtbohrung koaxial ist. Der Sendeempfänger 45 wird zuerst eingesetzt, um den Abstand auf seiner Seite zu messen. Unmittelbar danach wird der Sendeempfänger 46 eingesetzt, um den Abstand auf der anderen Seite des Werkzeugs zu messen. Ein ständiges Aktivieren beider Sendeempfänger ist nicht erforderlich, solange die Werkzeugbewegung in der Zeit zwischen den beiden Messungen kurz ist.
In dem üblichen Bereich der Bohrstrangdrehgeschwindigkeiten, und weil die Weite des Wellenstrahls mehrere Grade des Schachtbohrungsumfangs überstreicht (aufgrund des Durchmessers des Sendeempfängers und der Schallstreuung), kann die Zeit zwischen den mit beiden Sendeempfängern durchgeführten Abstandsauswertungen 50 Millisekunden kurz sein. Je kürzer die Zeit, desto besser ist die endgültige Durchmesserauswertung. Der Vorteil nicht gleichzeitiger Messungen besteht in der Reduzierung des Umfangs des Elektronikmoduls 21, da dasselbe System mit einem Multiplexer eingesetzt werden kann, um verschiedene Sendeempfänger zu steuern. Die physische Größe der Elektronik ist häufig eine Haupteinschränkung der MWD-Vorrichtungen. Ferner reduziert der Multiplexbetrieb und der kleinere Umfang des für eine nicht gleichzeitige Messung erforderlichen Elektronikmoduls den unmittelbaren Verbrauch an elektrischer Energie, der kritisch werden kann, wenn das Werkzeug mit der Batterie 150 aus Fig. 3 betrieben wird. Eine Näherung des nahezu momentanen Lochdurchmessers kann berechnet werden als:
Lochdurchmesser = Abstand 1 + Abstand 2 + Werkzeugdurchmesser,
wobei
Abstand 1 = mit dem Sendeempfänger 45 gemessener Abstand
Abstand 2 = mit dem Sendeempfänger 46 gemessener Abstand
Werkzeugdurchmesser = Front-zu-Front-Entfernung der Sendeempfänger 45, 46.
Dieser momentane Durchmesser wird in einem Vektor gespeichert. Nach der Akkumulationszeit (die üblicherweise im Bereich von 10 bis 60 Sekunden liegen kann) werden die in diesem Vektor gespeicherten Durchmesserdaten statistisch verarbeitet, um statistische Parameter wie etwa den mittleren Durchmesser, der wahrscheinlichste größte Durchmesser und/oder eine Näherung dieses größten Durchmessers oder verschiedene Percentile eines Histogramms (Treppenkurve) zu bestimmen. Mit der statistischen Verarbeitung ist die Lochgeometriebestimmung weniger anfällig gegen falsche Meßwerte, die während des Bohrens anfallen können. Wie oben erläutert werden diese falschen Meß werte, die durch die Erfassung von Bohrkleinechos anstatt der Erfassung von Formationsechos, schwach ausgeprägte Formationsechos aufgrund zerklüfteter Formationen, den Versatz zwischen dem Sensor und der Wandung oder eine Rauschspitze aufgrund der Bohrvorgänge hervorgerufen werden, größtenteils durch die Verarbeitungsschritte aus Fig. 13 eliminiert, jedoch können unvermeidbar einige falsche Meßwerte durch diese Logikverarbeitung schlüpfen.

Erfassung eines Gaseinbruchs in das Bohrloch während des Bohrens

1) Auswertung der Amplitude der Verzögerungsleitungsechos: Schallimpedanz des Bohrfluids

Wie in Fig. 6 bis 12 dargestellt wird das Verzögerungsleitungsecho (2) aufgrund seines Auftretens kurz nach Ende des ausgesendeten Schallimpulses (1) leicht identifiziert. Die Amplituden dieser Verzögerungsleitungsechos werden als Funktion der Zeit in ähnlicher Weise wie die Speicherung der Bohrlochechoparameter nach Logikkasten 216 aus Fig. 13 gespeichert. Die Amplitude dieser Verzögerungsleitungsechos ist für den Reflexionskoeffizienten der Verzögerungsleitung und des Bohrfluids in dem Ringraum 10 charakteristisch. Wie oben erläutert hängt der Reflexionskoeffizient von der Schallimpedanz des Bohrfluids ab, die sehr stark durch die Menge an Gas in dem Bohrfluid beeinflußt werden kann.
Wenn Gas in das Bohrfluid eintritt, nimmt die Schallimpedanz des Bohrfluids ab, da der Gaseintritt die Schallgeschwindigkeit und die Dichte des Bohrfluids herabsetzt. Im Ergebnis ändert sich die Schallkopplung zwischen der Sensor-Verzögerungsleitung 70 und dem Bohrfluid in dem Ringraum 10 mit dem Reflexionskoeffizienten. In den meisten Fällen beträgt die Schallimpedanz der Verzögerungsleitung 70, abhängig von deren Material und Betriebstemperatur, zwischen 2 und 3,5 MRayl. Sie ist üblicherweise höher als die Schallimpedanz des Bohrfluids, die üblicherweise zwischen 1,5 und 3,5 MRayl beträgt. Dementsprechend erhöht sich im Normalfall, in dem die Schallimpedanz der Verzögerungsleitung ca. 3 MRayl beträgt, die Amplitude des Echos der Vorderfront der Verzögerungsleitung 70 mit der Erhöhung der Gaskonzentration, da die Differenz der Schallimpedanzen des Fluids und der Verzögerungsleitung wächst.
Das weitestgehende Konzept dieser Erfindung besteht im Messen und Überwachen der Verzögerungsleitungsechoamplitude als Funktion der Zeit während des Bohrens. Bei normalen Bohrvorgängen driftet die Echoamplitude aufgrund der Druck- und Temperaturänderung im Schacht langsam mit der Zeit. Die Sensorleistung und die Schalleigenschaften des Bohrfluids hängen von diesen schachtinneren Bedingungen ab. Dieser Drift ist gering, da sich der Druck und die Temperatur im Schacht während des Bohrens langsam ändern.
Ein Gaseinbruch tritt jedoch relativ plötzlich ein, was zu einem plötzlichen Abfall (um einige Prozent in wenigen Minuten) der Schallimpedanz des Schlamms führt. Diese Änderung ruft eine schnelle Änderung der Verzögerungsleitungsechoamplitude hervor. Das Überwachen der Änderungsgeschwindigkeit dieser Amplitude schafft eine Möglichkeit zur Erfassung eines Gaseinbruchs im Schacht.
Eine zusätzliche Verarbeitung kann durchgeführt werden, um die Gasmenge des Gaseinbruchs vorherzusagen. Diese zusätzliche Verarbeitung erfordert Daten hinsichtlich der Sensorleistung unter Berücksichtigung der Temperatur und der momentanen Schlammdichte. Die zusätzliche Verarbei tung kann durchgeführt werden, wenn die Impedanz der Verzögerungsleitung gemessen werden kann, so daß die Vorderfrontechoamplitude auf die Schlammimpedanz umgesetzt werden kann. Diese Verzögerungsleitungsimpedanz kann gemessen werden, wenn die Verzögerungsleitung aus zwei Schichten aufgebaut ist, so daß ein Echo von der Grenzfläche zwischen diesen beiden Schichten erfaßt werden kann. Wird eine konstante Dicke der äußersten Schicht, die mit dem Fluid in Kontakt ist, vorausgesetzt, kann die Schallgeschwindigkeit für diese Schicht berechnet werden. Die Dichte der äußersten Schicht kann als konstant angenommen werden (was eine gute Näherung bei Hartkunststoff oder Hartgummi ist). Die Dichte kann folglich berechnet werden.

2) Auswertung der Bohrlochechoamplitude:

Schalldämpfung des Bohrfluids

Aus mehreren erfaßten Bohrlochechos kann durch das in Fig. 14 dargestellte Verfahren die Schlammdämpfung berechnet werden. Eine Linie wird zwischen die logarithmischen Werte der Bohrlochechoamplitude über dem entsprechenden Abstand gelegt. Die Steigung dieser Linie entspricht der Schalldämpfung in dem Schlamm.
Solange alle anderen, die Amplitude steuernden Parameter der Bohrlocheigenschaften wie Zerklüftung, Impedanz usw. über die Zeit der Messung konstant bleiben, ist die Steigung der oben definierten und in Fig. 14 dargestellten Linie von den Werten solcher Parameter unabhängig.
Zu den Parametern, die die Bohrlochechoamplitude beeinflussen, gehören die Sensorleistung, die Erregungsspannung, die Dämpfung in der Verzögerungsleitung und in der Anpassungsschicht, die Schallkopplung zwischen dem Sensor und dem Schlamm und das Reflexionsvermögen der Formation.
Alle diese Parameter beeinflussen den Schnittpunkt der Näherungslinle mit der Y-Achse (YINTERCEPT). Ein Korrelationskoeffizient der Daten kann berechnet werden, um die Angleichung der Linie L zu validieren und für das Aussondern fehlerhafter Berechnungen der Schlammdämpfung zu sorgen.
Ein Verfahren zur Erfassung von Gas ist in Fig. 15 dargestellt, bei dem die Dämpfung als Funktion der Zeit aufgezeichnet wird. Dieses Verfahren kann durch den Werkzeugcomputer 160 durchgeführt werden, oder es kann durch die Oberflächeninstrumentierungscomputer der Oberflächeninstrumentierung 7 durchgeführt werden, nachdem die Amplitudendaten und Abstandsdaten an die Oberfläche übertragen worden sind. Wenn kein Gas in dem Bohrfluid ist, liegt die Schalldämpfung des Schlamms üblicherweise in dem Bereich von 1 bis 5 dB/cm. Bei einem geringen Gaseinbruch mit einem ca. 0,2%-tigen Gasblasenanteil im Schlamm steigt die Schalldämpfung des Schlamms bei einer Sensor-Grundfrequenz sehr deutlich von 8 auf 15 dB/cm oder mehr an. Dementsprechend wird in der Schlammdämpfungsaufzeichnung in Fig. 15 ein solcher Gaseinbruch zur Zeit TINFLUX erfaßt. Auch ohne Referenzmessung kann aufgrund der Änderung ein Gaseinbruch bestimmt werden. Eine Schlammdämpfung-Referenzmessung (die so genau als möglich unter schachtinneren Bedingungen gemessen wird) verbessert die Auflösung der Erfassung eines Zustroms.
Das Ansteigen der Schlammimpedanzkurve zur Zelt TINFLUX, wie in Fig. 15 dargestellt ist, bestätigt die Bestimmung eines Gaseinbruchs.

Übertragung von Signalen zur Weiterverarbeitung an die Oberflächeninstrumentierung

Die oben identifizierten Parameter wie etwa Abstand, Schallimpedanz und Schlammdämpfung können als Funktion der Bohrzeit bestimmt und im Elektronikmodulspeicher 180 gespeichert werden. Sowohl diese Daten dieses Speichers 180 als auch weitere Daten können über das MWD-Werkzeug 29 zur Oberflächeninstrumentierung 7 übertragen werden, indem das Bohrfluid als Kommunikationspfad benutzt wird. Solche MWD-Werkzeuge und -verfahren werden im Bereich der MWD-Datenübertragung allgemein verwendet.
Wenn die durch die Oberflächeninstrumentierung 7 empfangenen Schlammdämpfungs- und Schlammimpedanzsignale innerhalb einer vorgegebenen Bohrzeitperiode gleichzeitig um einen vorgegebenen Wert ansteigen, wird ein Alarm erzeugt, wie durch die Klingel 7A in Fig. 1A angedeutet ist.
Verschiedene Modifikationen und Varianten der beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung, die nicht von dem Rahmen der Erfindung abweichen, werden Fachleuten aus der vorangehenden Beschreibung offenbar. Deshalb werden solche Änderungen als durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt betrachtet. Die beigefügten Ansprüche zählen die einzigen Beschränkungen der vorliegenden Erfindung auf. Die beschreibende Art, die zur Darlegung der Ausführungen verwendet wurde, ist als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu interpretieren.

Claims

1. Vorrichtung zur Bohrlochvermessung, umfassend:

ein Werkzeug (20), das zur Anordnung in einem sich durch Erdformationen erstreckenden Bohrloch eignet, wobei das Werkzeug einen zylindrischen Körper besitzt, der einen Ringraum zwischen der Wandung des Bohrlochs und dem Körper definiert, wobei der Ringraum darin angeordnete Bohrflüssigkeit besitzt; und

eine Ultraschall-Sende- und -Empfangseinrichtung (45, 46), die in dem zylindrischen Körper zum periodischen Senden von Ultraschall-Sendeimpulsen in die Bohrflüssigkeit zur Bohrlochwandung und zum Erzeugen von Echosignalen angeordnet ist, wenn die Impulse zur Sende- und Empfangseinrichtung zurückreflektiert werden;

wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:

eine Verzögerungsleitung (70), die zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung (45, 46) und der Bohrflüssigkeit in dem Ringraum angeordnet ist, wobei Verzögerungsleitungsechos an der Grenzfläche der Verzögerungsleitung und der Ringraumflüssigkeit erzeugt werden, wobei die Sende- und Empfangseinrichtung in Ansprache auf die Verzögerungsleitungsechos Verzögerungsleitungsechosignale erzeugt; und

eine Logikeinrichtung (160), die mit der Sende- und Empfangseinrichtung (45, 46) zum Identifizieren und Speichern der Verzögerungsleitungsechosignale verbunden ist, wobei die logische Einrichtung (160) angeordnet ist, um eine vorbestimmte Charakteristik der gespeicherten Verzögerungsleitungsechosignale als eine Funktion der Zeit zu überwachen und in Ansprache auf eine vorbestimmte Änderung in der Charakteristik ein Gaseinbruchalarmsignal zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug (20) mit einem Bohrstrang (6) in dem Bohrloch verbunden ist und ferner eine Kommunikationseinrichtung (29) umfaßt, die in dem Bohrstrang zum Über tragen des Gaseinbruchalarmsignals zu einer an der Oberfläche befindlichen Einrichtung (7) zum Erzeugen eines Alarms angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei:

die Ultraschall-Sende- und -Empfangseinrichtung (45, 46) ein Sensorelement (54, 56, 58) umfaßt, das ein inneres schallabsorbierendes Hinterlegungselement (58), eine piezoelektrische Keramikscheibe (54), die auswärts benachbart zu dem Hinterlegungselement (58) gestapelt ist, einen ersten und einen zweiten elektrischen Anschluß (64) und eine innere und eine äußere Elektrodeneinrichtung (106, 114) zum Verbinden der Innen- und Außenseite der Scheibe (54) mit den beiden elektrischen Anschlüssen (64) umfaßt; und

die Verzögerungsleitung (70) auswärts von der Keramikscheibe (54) angeordnet ist, und eine auswärts gerichtete konkave Vertiefung (71) aufweist.

4. Verfahren zum Detektieren eines Gaseinbruchs in ein Bohrloch mit darin angeordneter Bohrflüssigkeit unter Verwendung einer Meßvorrichtung (20), die innerhalb des Bohrlochs angeordnet ist und einen zylindrischen Körper umfaßt, der zwischen der Wandung des Bohrlochs und dem Körper einen Ringraum definiert, wobei eine Ultraschall-Sende- und Empfangseinrichtung (45, 46) in dem zylindrischen Körper angeordnet und eine Verzögerungsleitung zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung und der Bohrflüssigkeit in dem Ringraum angeordnet ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:

periodisches Emittieren eines Ultraschallsendeimpulses von der Ultraschall-Sende- und -Empfangseinrichtung (45, 46) in die Bohrflüssigkeit senkrecht zu der Bohrlochwandung zur Reflektion von der Grenzfläche zwischen der Verzögerungsleitung (70) und der Bohrflüssigkeit in dem Ringraum als Verzögerungsleitungsecho und von der Bohrlochwandung als Bohrlochecho;

Erzeugen eines Verzögerungsleitungsechosignals, repräsentativ für das Verzögerungsleitungsecho;

Speichern einer vorbestimmten Charakteristik einer Vielzahl von Verzögerungsleitungsechosignalen; und

Erzeugen eines Gaseinbruchalarmsignals in Ansprache auf eine vorbestimmte Änderung in der Charakteristik.

5. Verfahren zur Vornahme von Messungen in einem Bohrloch, in dem sich Bohrflüssigkeit befindet, unter Verwendung eines Werkzeugs (20), das einen zylindrischen Körper besitzt, der in dem Bohrloch angeordnet werden kann, wobei das Verfahren eine Ultraschall-Sende- und -Empfangseinrichtung (45, 46) verwendet, die in dem zylindrischen Körper zum periodischen Emittieren von Ultraschallsendeimpulsen in die Bohrflüssigkeit gegen die Wandung des Bohrlochs und zum Erzeugen von Echosignalen, wenn die Impulse zu der Sende- und Empfangseinrichtung zurückreflektiert werden, angeordnet ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:

Anordnen einer Verzögerungsleitung (70) zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung (45, 46) und der Bohrflüssigkeit in dem Bohrloch, wobei Verzögerungsleitungsechos an der Grenzfläche der Verzögerungsleitung und der Bohrflüssigkeit erzeugt werden;

Erzeugen von Verzögerungsleitungsechosignalen in Ansprache auf die Verzögerungsleitungsechos;

Identifizieren und Speichern der Verzögerungsleitungsechosignale; und

Überwachen einer vorbestimmten Charakteristik der gespeicherten Verzögerungsleitungechosignale als eine Funktion der Zeit.

6. Verfahren nach Anspruch 5, weiter umfassend den Schritt des Erzeugens eines Gaseinbruchalarmsignals in Ansprache auf eine vorbestimmte Änderung in der überwachten Charateristik.