DK158593B - Fremgangsmaade og apparat til cementbindingslogging - Google Patents

Description

i

DK 158593B

Den foreliggende opfindelse angår cementbindings-logging og navnlig en fremgangsmåde og et apparat til måling af dæmpningsgraden af lydenergi, som går gennem foringsrør, der er cementeret i et borehul.

5 Ved klargøring af et borehul bliver en forings rørs- eller rørstreng anbragt i et borehul, og cement presses ned i det ringformede rum mellem foringsrøret og borehullet primært for at adskille olie- og gasproducerende formationer fra hinanden og fra vandførende lag. Hvis ce-lo menteringen ikke er i stand til at tilvejebringe en adskillelse af én zone fra en anden, kan fluider under tryk fra den ene zone tydeligvis være i stand til at vandre ind i og forurene en ellers produktiv nærliggende zone.

Specielt indtrængning af vand frembringer uønsket vandaf-15 skæring af en produktionszone og kan eventuelt gøre en boring uøkonomisk.

Det er et problem at få et nøjagtigt billede af forholdene bag et foringsrør på grund af vanskeligheden ved at udbrede signaler gennem foringsrørets væg. Forskel-2o lige tidligere forslag til bestemmelse af adskillelseseffektiviteten (dvs. blokerings- eller tætningsegenskaberne) af cementen bag foringsrøret har ikke været helt vellykkede til tydeligt at bestemme den effektive tilstedeværelse af cement i det ringformede rum mellem foringsrø-25 ret og formationen. Det har endvidere ikke været muligt på pålidelig måde at måle kvaliteten af cementbindingen mellem foringsrøret og cementen.

Den blotte tilstedeværelse eller fraværelse af cement i det ringformede rum mellem foringsrøret og forma-3o tionen er værdifuld information, men dette tilvejebringer ikke et fuldstændigt billede af cementforholdene. Medens cement kan være tilstede i det ringformede rum, kan kanaler eller utilstrækkelig tætning stadig muliggøre fluidforbindelse mellem op til hinanden stødende formationer.

35 Anvendelsen af udtrykket "binding" i forbindelse med forbindelsen af cement til foringsrøret eller formationen er noget vag, da vedhængning langs hele grænsefladen mellem foringsrøret og cementen 2

DK 158593B

eller mellem cementen og formationen ikke er nødvendig for at forhindre fluidforbindelse mellem hosliggende porøse zoner. Alt hvad der er nødvendigt for en binding er, at forbindelsen forhindrer gennemtrængning af fluider. I det 5 følgende vil henvisning til binding betyder at adskillelse af zoner ved hjælp af cement er tilstrækkelig til at forhindre fluidgennemtrængning mellem zonerne.

Flere tidligere forslag til opnåelse af en måling af kvaliteten af en cementbinding i forhold til fo-lo ringsrøret er omhandlet i f.eks. USA patentskrift nr.

3.291.248. Disse systemer anvender generelt akustiske principper, hvor et akustisk signal overføres mellem en sender og en modtager. Amplituden af signalet med tidlig ankomst (denne tidlige ankomst er sæd-15 vanligvis foringsrørssignalet, da den akustiske energi under middelforhold almindeligvis vandrer hurtigere i foringsrøret end i den omgivende cement eller formation) ved modtageren måles som en bestemmelse af kvaliteten af bindingen af cement til foringsrøret. Hvis der findes en god 2o binding, skulle foringsrørssignalet forventes at være dæmpet på grund af energien, som tabes fra foringsrøret til cementen og omgivende formationer, men hvis der ingen binding findes,eller der kun findes en dårlig binding, skulle foringsrørssignalet være relativt udæmpet.

25 En mere raffineret metode til bestemmelse af kva liteten af cement i det ringformede rum mellem foringsrøret og formationerne er omhandlet i USA patentskrift nr. 3.4ol.773 med benævnelsen "Method and Apparatus for Cement Logging of Cased Boreholes". Ved denne fremgangsmåde bli-3o ver amplituden af en tilbagekastet tidlig (foringsrørs-) signalankomst optegnet, og endvidere fås den samlede energi af en udvalgt senere del af lydsignalet ved integration for at tilvejebringe en anden indikation af kvaliteten af cementbindingen. Selv ved fravær af en svag fo-35 ringsrørsankomst kan det yderligere trin, hvor den samlede energi, som opnås ved integration af en senere del af signalet,observeres på denne måde,bekræfte tilstedeværelsen af cement i foringsrør- ringformet rum- formationssy- 3

DK 158593B

stemet. Detaljer ved beslægtede ‘fremgangsmåder kan også fås under henvisning til USA patentskrift nr. 3.4ol.772 med benævnelsen "Methods for Logging Cased Boreholes".

Selv om de foregående fremgangsmåder og apparater 5 tilvejebringer meget nyttig information, er det ønskeligt at bestemme kvaliteten af cementbindingen mere nøjagtigt.

Det er blevet fastlagt, at energiindholdet af de akustiske loggingsignaler, som ankommer til modtageren, afhænger af andre faktorer end kvaliteten af cementbindingen til fo-lo ringsrøret eller integriteten af cementsøjlen (undertiden kaldet cementkvalitet). De følgende faktorer har vist sig at have betydelig indvirkning på signalankomster: modta-gerfølsomhed, formationshårdhed, ekscentricitet af det akustiske loggingværktøj, højtemperaturomgivelsen og tem-15 peraturvariationerne i borehullet, foringsrørstypen og diametren af borehullet og foringsrøret såvel som deres form eller geometri.

Det vil derfor indses, at det er meget ønskeligt at tilvejebringe en fremgangsmåde og et apparat til be-2o stemmelse af kvaliteten af cementbindingen i et foret borehul, hvilken fremgangsmåde og hvilket apparat reducerer de skadelige virkninger af de forannævnte faktorer.

Det er et generelt formål med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en forbedret fremgangsmåde og 25 et forbedret apparat til cementbindingslogging af et foret borehul.

Dette og andre formål opnås i henhold til et aspekt ved opfindelsen ved en fremgangsmåde til opnåelse af en måling af kvaliteten af en cementbinding i forhold 3o til et foringsrør i et borehul omfattende tilvejebringelse, i et borehulsværktøj med to i længderetningen med indbyrdes afstand liggende akustiske sendere og mindst to i længderetningen med indbyrdes afstand liggende akustiske modtagere,der er anbragt mellem de akustiske sendere,med en sen-35 dermodtagerafstand for at tilvejebringe et måleligt signalstøj forhold,af ankomsten af et foringsrørssignal før ankomsten af et formationssignal og til at tolerere ekscentricitet op til 7,6 mm, energifødning gentagne gan-

DK 158593 B

4 ge af de akustiske sendere for åt føre akustisk energi til foringsrøret, som omgiver borehulsværktøjet, detektering ved modtagerne af energi fra en første af senderne, som ankommer til modtagerne via foringsrøret, detektering ved 5 modtagerne af akustisk energi, som ankommer via foringsrøret fra en anden af senderne efter aktiveringen af den første sender, for hver af de foregående genereringer og detekteringer måling af spidsamplituden af en udvalgt del af de akustiske foringsrørssignaler, som detekteres ved lo hver af modtagerne, tilvejebringelse af et forhold af spids amplituderne i forbindelse med aktiveringen af den første sender, tilvejebringelse af et forhold af spidsamplituden i forbindelse med aktiveringen af den anden sender, kombination af forholdene for at frembringe en funktion, 15 der repræsenterer dæmpningen af akustisk energi, som vandrer gennem foringsrøret,og optegning af dampningen som en funktion af værktøjsposition i borehullet.

Et andet aspekt indbefatter et apparat til tilvejebringelse af en måling af kvaliteten af en cement-2o binding i forhold til et foringsrør i et borehul omfattende et borehulsværktøj med to i længderetningen i indbyrdes afstand liggende akustiske sendere og mindst to i længderetningen i indbyrdes afstand liggende akustiske modtagere anbragt mellem de akustiske sendere, hvilke mod-25 tagere er beliggende i en afstand af hen holdsvis 73 cm og lo4 cm fra hver sender, .organer til gentagne gange at energiforsyne de akustiske sendere for at føre akustisk energi til foringsrøret, som omgiver borehulsværktøjet, hvilke modtagere detekterer 3o energi fra en første af senderne, som ankommer til modtagerne via foringsrøret, hvilke modtagere detekterer energi, som ankommer via foringsrøret fra en anden af senderne efter aktiveringen af den første sender, organer til måling af spidsamplituden af en udvalgt del af det akustiske 35 foringsrørssignal detekteret ved hver af modtagerne, organer til tilvejebringelse af et forhold af spidsamplituderne i forbindelse med aktiveringen af den første sender, organer til tilvejebringelse af et forhold af spids- 5

DK 158593B

amplituden i forbindelse med aktiveringen af den anden sender, organer til kombination af forholdene for at frembringe en funktion, der repræsenterer dæmpningen af akustisk energi, som vandrer gennem foringsrøret, og organer 5 til optegning af dæmpningsgraden som en funktion af værk tøj sposition i borehullet.

De nye træk ved den foreliggende opfindelse fremgår af den kendetegnende del af krav 1 samt af den kendetegnende del af krav 9. Virkemåden sammen med yderligere lo formål og fordele ved opfindelsen skal herefter forklares nærmere ved hjælp af illustration og eksempler på visse udførelsesformer under henvisning til tegningen, hvor 15 2o 25 3o 35 6

DK 158593B

fig. 1 viser et blokdiagram over en udførelsesform for et loggingsystem, som anvender principperne ifølge den foreliggende opfindelse, 5 fig. 2 et billede i større målestok af en del af fig. 1, som angiver akustiske bølgeveje gennem borevæsken og foringsrøret, fig. 3 formen af akustisk signal, som vandrer gennem et cementeret foringsrør lo tinder forskellige cementbindings forhold, fig. 4 en modifikation af en sonde nede i borehullet, som sørger for minimal ekscentri-citet under betydelig borehulsdeviations- 15 forhold, og fig. 5 en typisk cementbindingsdæmpningsgradslog frembragt i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse samt andre bloktyper frembragt med systemet i fig. 1.

2o På tegningen viser fig. 1 et loggingsystem til udførelse af opfindelsen indbefattende et langstrakt log-gingværktøj lo forsynet med centraliseringsorganer 11 til at holde værktøjet centreret så effektivt som muligt i et borehul 12. Borehullet 12 er vist fyldt med væske 13.

25 Værktøjet lo er ophængt i boringen ved hjælp af et kabel 15, som strækker sig fra den øverste ende af værktøjet til overfladen af jorden. Kablet 15, der typisk er et monokabel, er opviklet på et ikke vist spil, der,som det er velkendt, tjener til at hæve og sænke værktøjet lo 3o gennem borehullet 12. Indikationer af dybden, hvori værktøjet er ophængt i borehullet, kan tilvejebringes ved hjælp af ikke viste organer til måling af længden af kab let. Denne information anvendes til at tilvejebringe en af funktionerne i den typiske borehulslog.

35 Selve værktøjet lo er opdelt i flere sektioner.

Den nedre sektion mellem centraliseringsorganerne 11 indbefatter et antal akustiske sendere indbefattende sendere T1 og T2 samt tre akustiske modtagere R1,R2 og R3. Over

DK 158593 B

7 de akustiske transducere findes der en lydpatron 2o indeholdende den nødvendige elektronik til behandling af data fra de akustiske transducere samt data fra en kravedetektor 21 og en naturlig gaimnastråledetektor 22. Den øvre del af 5 loggingværktøjet indbefatter et telemetrimodem 23, som anvendes til at sende information op gennem borehullet samt til at virke som en modtager for styreinformation for udstyret nede i hullet.

Driften af loggingsystemet er styret af en på egnet lo måde programmeret digital datamat 3o anbragt ved overfladen. Programmet eller instruktionerne for datamaten er indledningsvis lagret på en båndtransport 31 og bliver på ordre fra en terminal 32 ladet i datamaten 3o. Terminalen 32 indbefatter en skriver, som tilvejebringer en monitor for in-15 struktioner fra terminalen til datamaten og tillige gør det muligt for en operatør at forespørge datamaten. Når systemet er parat til drift, vil datamaten 3o sende en ordre til udstyret nede i hullet via en bus 33, et telemetrimodem 34 og kablet 15. Telemetrimodemet 23 i værktøjet lo 2o nede i hullet fører styredata eller ordre til en tidsstyre-og styreenhed 35, som fastlægger forholdene for den specifikke opgave, der skal udføres i sekvensen af operationer. Eksempelvis vil tidsstyre- og styreenheden 35 på grundlag af datamatinstruktionerne bestemme, om senderen 1 skal ak-25 tiveres af en senderenergifødeenhed 36 og en leder 37, eller om senderen T2 skal aktiveres over senderenergiføde-enheden 36 og en leder 38. Tidsstyre- og styreenheden 35 bestemmer også, hvilket af modtagerudgangssignalerne, der skal vælges og forstærkes af modtagervælge- og forstærk-3o ningsorganer 4o. Efter at opgaven, der skal udføres nede i hullet, er blevet fastlagt, sendes et "håndtryks"- eller synkroniseringssignal fra datamaten over telemetrimodemet 23 og en leder 41 til tidsstyre- og styrenheden 35 for at påbegynde en cyklus af følgen af operationer, som 35 indbefatter måling af spidsværdien eller amplituden af den første halvperiode af foringsrørssignalet, som optræder ved modtagerne.

Selv om informationen vedrørende amplituden af de

DK 158593 B

8 modtagne signaler, som vandrer via foringsrøret, kan anvendes ved frembringelsen af sædvanlige cementbindingslogs, behandles amplitudeinformationen af datamaten i henhold til den foreliggende opfindelse for at frembringe en dæmp-5 ningsgradslog, som mere nøjagtigt repræsenterer tilstanden eller graden af binding af cement til foringsrøret. I en sædvanlig cementbindingslog, hvor amplituden af det modtagne signal afsættes som en funktion af dybden, er der et antal betingelser eller faktorer, som påvirker signalet og lo har tilbøjelighed til at indføre fejl i den resulterende log. Disse tilstande indbefatter modtagerfølsomhed, senderudgangseffekt, borehulstemperaturvariationer, borevæske-tilstand, formationshårdhed eller hastighed og ekscentrici-tet af loggingværktøjet.

^ Virkningerne af disse forskellige parametre eller tilstande kan i stor udstrækning reduceres eller elimineres af sender- og modtagerarrangementet og den fysiske forbindelse vist i fig. 1 og 2, som arbejder i forbindelse med fremgangsmåden og apparatet ifølge den foreliggen-2o de opfindelse. For bekvemmelighedens skyld kan dæmpningen på grund af borevæsken slås sammen til en enkelt dæmpningsfaktor M, der kan antages at være effektiv over en lateral del af den akustiske energibølgevej mellem foringsrøret og de respektive sendere og modtagere. I fig. 2 er den 25 samlede dæmpningsfaktor mellem senderne TI og T2 og foringsrøret betegnet som M1 og M4, hvorimod dæmpningsfaktoren mellem modtagerne R1 og R2 og foringsrøret er betegnet M2 og M3. Faktorerne M1,M2,M3 og M4 kan elimineres ved af tage et forhold af de akustiske signalamplituder, som 3o modtages ved hver modtager fra en af senderne og multiplicere dette forhold med et lignende forhold, som fås ved en sammenligning af akutiske signalamplituder ved disse modtagere fra den anden sender. De forskellige lydsignalamplituder svarende til hvert sender-modtagerpar er beteg-35 net T1 R1, T1 R2, T2 R1, T2 R2. Dæmpningen gennem den langsgående zone mellem senderen T1 og modtageren R1 er betegnet C1, og transmissionen over den langsgående zone mellem senderen T2 og modtageren R2 er betegnet C2. C3 er

DK 158593B

9 den ønskede dæmpningsfunktion mellem den langsgående zone afgrænset mellem modtagerne R1 og R2. Det kan vises ved relativt simpel matematisk manipulation, at de ønskede overførings- eller daanpningsfunktioner M1,M2,M3 og M4 kan 5 elimineres sammen med dæmpningsfunktionerne C1 C2 og klin efterlade den ønskede dæmpningsfunktion C3 ved at tage produktforholdet af amplituderne af signaler fra de forskellige modtagere.

Ved undersøgelse af medierne, som danner et foret lo borehul, er det vigtigt, at loggingværktøjet er i det væsentlige centreret i borehullet. Grunden til dette angår længden af den vej, som akustisk energi skal vandre mellem den akustiske sender og modtager og den maksimale amplitude af den første ankomst af foringsrørssignalet. Den 15 tid, hvor akustisk energi vandrer gennem foringsrøret til modtageren,er kendt og muliggør således, at en port åbnes på det korrekte tidspunkt for at måle spidsamplituden af den første energi (foringsrørssignal) ankomst ved modtageren. Tiden og amplituden bestemmes for tilfældet af 2o et centreret loggingværktøj. Hvis loggingværktøjet er ekscentrisk i borehullet, vil energien, som udsendes fra den ene side af værktøjet, have en kortere vej til og fra foringsrøret og således forårsage, at foringsrørsankomsten ved modtageren er tidligere end forventet. Den ovennævnte 25 port vil således ikke være tidscentreret, og den målte foringsrørsankomstamplitude vil være mindre og forårsage fejl i cementbindingsloggen.

Med konfigurationen af og driften af transducerne vist i fig. 2 bliver problemet, som indføres af ekscentri-3o citet,imidlertid minimeret så meget,som den samme del af foringsrørssignalet fra alle modtagere vil blive målt.

Bestemmelsen af dæmpningsgraden i henhold til den foreliggende opfindelse forklares under henvisning til fig. 2, hvor de to sendere T1 og T2 er anbragt symmetrisk 35 i forhold til de to modtagere R1 og R2. I en afstand d1 fra den øverste sender T1 vil amplituden af den forings-rør sbårne lydbølge initieret af senderen T1 være dæmpet og kan udtrykkes som:

DK 158593 B

lo a d1 2o = P1S1 10 (1) hvor A.j ^ er udgangssignalet fra modtageren i milli-5 volt, er trykamplituden for d1 =0, er modtagerføl-somheden i millivolt pr. bar, og a er dæmpningsgraden af lydsignalet i decibel pr. fod. Dette forhold blev fastlagt af Pardue med flere i en artikel med benævnelsen "Cement Bond Log - A study of Cement and Casing Variables" lo i "Journal of Petroleum Technology, maj 1963 på side 545. Udgangssignalet fra modtageren R2 kan skrives som: _ a_ d2 A12 = P1S2 10 2° <2) På lignende måde kan udgangssignalet fra modtagerne R.j og R2 ved aktivering af den nederste sender skrives som: _ a_ d2 20 A21 = P2S1 10 20 (3) a d1 A22 = P2S2 10 2° <4> 25 - - _______Ved anvendelse af ligningerne (1) til (4) dannes følgende forhold: 3o Γ -2a (d2-d1) A12 A21 = 1Q 20 (5) A11 A22

Det foregående forhold vist i ligning (5) kaldes BHC forholdet. Ud fra BHC-forholdet (5) kan dæmpningsgra-35 den a fås ved udførelse af:

DK 158593B

11 n -io log·, o r1-^1 = a <6> d2-d1 11 22

5 L J

hvor a udtrykkes 1 decibel pr. fod. Det skal bemærkes/ at den målte dæmpning er uafhængig af modtagerfølsomhed, senderudgangseffekt og fluiddæmpning for en hvilken som helst given operationsfølge.

lo BHC dæmpningsmålingen fastlagt ved hjælp af den foreliggende opfindelse har et antal fordele frem for standardcementbindingslogmålingen og kan summeres som følger. Som det fremgår af fig. 2 har lydsignalerne, som når R.J eller I^,vandret den samme vej gennem foringsrørsvæsken, 15 og dens effekt bliver således elimineret ved dannelse af forholdet af amplituder. Væskedæmpningseffekten kan være vigtig i svære eller gasafskårne muddere. Transducerudgangssignalet vil almindeligvis aftage med forøgelse i temperatur,og modtagerfølsomheden kan også aftage med alde-2o ren. Dette repræsenterer en hovedfordel frem for de tidligere systemer, da det eliminerer behovet for konstant korrektion eller kalibrering af modtagerudgangssignalerne ved ændringer i modtagerfølsomhed, hvilke ændringer for det meste skyldes temperaturvirkninger. Disse virkninger 25 bliver effektivt ophævet ved anvendelse af forholdsmetoden.

Som nævnt tidligere er BHC dæmpningen eller forholdsmetoden uafhængig af den absolutte værdi af signalniveauet. Måleområdet på op til 2o db pr. fod er kun begrænset af værdien af signal-til-støjforholdet. Endvidere kan ekscentri-3o citet på op til 7,6 mm tolereres, uden at det har en signifikant virkning på nøjagtigheden af målingen.

Det er blevet fundet, at den fysiske afstand mellem senderne og modtagerne er kritisk for at opnå en nøjagtig og pålidelig cementbindingslog. Hvis afstanden er 35 for stor, går det ud over signal-støjforholdet indtil det punkt, hvor foringsrørssignalet er begravet i støj og ikke kan detekteres. Selv om afstanden indstilles for at muliggøre detektering af foringsrørssignalet, er der situa- 12

DK 1S8593B

tioner, hvor det detekterede signal ikke repræsenterer foringsrørssignalet. Dette forekommer i situationer, hvor hastigheden af de omgivende formationer er højere end hastigheden af lyd gennem foringsrøret, og når afstanden mel-5 lem sender og modtager er stor, vil formationssignalet optræde ved modtageren før ankomsten af foringsrørssignalet, hvilket giver anledning til en fejlagtig måling.

Hvis afstandene mellem sendere og modtagere på den anden side er for lille, indfører de fejl, som indføres af lo ekscentricitet, fejl. Følgelig skal afstanden mellem senderne og modtagerne være sådan, at der tilvejebringes et måleligt signal-støjforhold ankomst af cementbindingssignalet før ankomsten af et formationssignal, og at der tolereres ekscentricitet på op til 7,6 mm.

15 Det foregående udføres ved etablering af en afstand på ca.

73 cm fra senderen Ti til modtageren RI og på lignende måde en afstand på 73 cm fra senderen T2 til modtageren R2. Modtageren R2 skal være ca. lo4 cm fra senderen T1, og modtageren R1 skal være ca.

2o lo4 cm fra'senderen T2. Modtageren R3, der hovedsageligt anvendes til frembringelse af en variabel densitetslog, er i én udførelsesform anbragt i en afstand af 152 cm fra senderen T2.

Selv om den kendte teknik indbefatter et eksempel 25 på lydloggihgsystemer omfattende en sonde med et par i indbyrdes afstand liggende modtagere, som ligger mellem en øvre og -en nedre modtager, vil det forstås, at disse systemer var udført til drift i åbne (dvs. ikke forede) brøndboringer for at detektere formationsparametre. Disse 3o værktøjer har kun lille relevans til cementbindingslog- gingfeltet på grund af selve arten af signalet, som måles der, dvs. den akustiske vandringstid. Afstanden mellem modtagerne og senderne på en sonde er valgt til at maksimere vandringstiden for akustiske bølger gennem formationsmedi-35 erne, som undersøges, i forhold til vandringstiden for de akustiske bølger mellem sonden og formationerne. Dette fører til udvælgelsen af relativt store indbyrdes afstande mellem modtagerne og senderne. Til cementbindingslogging-

DK 158593B

13 formål i henhold til principperne for den foreliggende opfindelse er afstandene mellem senderne og modtagerne derimod valgt med henblik på at forøge ikke vandringstiden gennem formationerne, men korrelationen mellem det kombine-5 rede udgangssignal fra modtagerne og kvaliteten af cementbindingen. Det vil forstås, at tilvejebringelse af modta-ger-senderafstande af samme størrelsesorden som dem, der findes i værktøjer, der er udformet til åbne hulloggingformål, selv om de synes ganske akceptable, rent faktisk er lo skadelige for driften af systemet i forede huller, da støjindholdet af signalet i forede huller på grund af selve arten af målingen vil vokse proportionalt med afstanden mellem modtageren og senderen. Valget af sender-modtagerafstande er derfor afgørende for realiseringen af fordele-15 ne ved den foreliggende opfindelse.

Under henvisning til fig. 1 skal nu beskrives systemet til indsamling af foringsrørssignaldataene til anvendelse i relationen defineret ved udtrykket (6). Efter instruktioner fra datamaten 3o til tidsstyre- og styreen-2o heden 35 følger et "håndtryks"- eller synkroniseringssignal. Tidsstyre- og styreenheden 35 sender nu en aktiveringsordre til senderenergifødeenheden 36 over lederen 42 for frembringelse ved hjælp af senderen T1 af akustisk energi, som vandrer udad gennem borevæsken og refrakteres langs 25 foringsrøret og tilbage gennem borevæsken til modtageren R1. Udgangssignalet fra modtageren R1 føres via lederen 43 til modtagervælge- og forstærkningsorganerne 4o, hvis udgangssignal, et analogt signal, sendes op gennem hullet via lederen 44, telemetrimodemet 23, kablet 15, telemetri-3o modemet 34 til monitoroscilloskopet 5o. Det analoge udgangssignal fra modtagervælge- og forstærkningsorganerne 4o føres også til amplitude- og transittidsdetekteringsorganerne 51, hvor spidsamplituden af foringsrørssignalet detekteres, og transittiden for signalet bestemmes.

35 En typisk bølgeform for foringsrørssignaler, som ankommer til modtagerne under forskellige cementbindings-forhold, er vist i fig. 3. Det vil ses, at når foringsrøret er ubundet, er halvperioderne af bølgeformen omfatten-

DK 158593B

14 de spidser E1 ,E2 og E3 signifika’nt større end amplituden af de tilsvarende spidser under forhold, hvor foringsrøret er godt bundet til cementen. Halvperioden, hvis spids skal detekteres, er valgfri for operatøren, der med kend-5 skab til transittiden for akustisk energi gennem foringsrøret såvel som afstanden mellem senderen og den valgte modtager kan fastlægge ved hjælp af datamaten en effektiv portbegyndelse, som implementeres ved hjælp af tidsstyre-og styreenheden 35, der konditionerer amplitude- og tranlo sittidsdetekteringsorganerne 51 til at måle spidsamplituden af en valgt halvperiode af foringsrørssignalet. Typisk detekteres amplituden af spidsen E1.

Transittidsdetektering eller måling udføres også ved hjælp af en styreimpuls fra tidsstyre- og styreenheden 15 35, der over lederen 54 føres til amplitude- og transit tidsdetekteringsorganerne 51, hvilken styreimpuls angiver det tidspunkt, hvor senderen T1 er blevet aktiveret. Ved anvendelse af sædvanlige tidsstyrekredsløb i organerne 51 frembringes et digitalt signal, der repræsenterer værdien 2o af transittiden for akustisk energi, som vandrer fra senderen T1 til modtageren R1. Dette digitale signal føres direkte over lederen 55 til telemetrimodemet 23 for overføring til overfladen.

Det analoge signal, som repræsenterer spidsampli-25 tuden af det detekterede foringsrørssignal, føres over lederen 56 til multiplex- og A/D omsætteren 6o, hvis digitale udgangssignal også føres til telemetrimodemet 23 for overføring til overfladen.

Transittidssignalet behandles af datamaten 3o og 3o omsættes til et analogt signal og er efter operatørens.

valg til rådighed for at optegnes af det analoge optegningsapparat 61 som en funktion af dybden. Dybdefunktionen, der som tidligere beskrevet frembringes ved hjælp af sædvanlige organer, bliver også behandlet af datamaten og 35 anvendes til at forskyde dataene i forhold til optegningsmediet. Den digitale repræsentation af den detekterede amplitude af foringsrørssignalet bliver midlertidigt lagret af datamaten 3o for at anvendes i forbindelse med andre

DK 158593B

15 data til frembringelse af et signal, der repræsenterer dæmpningsgraden i henhold til den foreliggende opfindelse.

Når systemet har' udført den første cyklus i sekvensen, sender datamaten 3o nu yderligere instruktioner 5 til tidsstyre- og styreenheden på den ovenfor beskrevne måde endnu engang for at aktivere senderen T1 og nu for at forbinde udgangen på modtageren R2 med modtagervælge- og forstærkningsorganerne 3o. Igen detekteres amplituden af et foringsrørssignal, som ankommer til modtageren R2, og lo transittiden for dette signal mellem senderen 1 og modtageren R2. Transittiden kan optegnes i det analoge optegningsapparat 62 som en funktion af dybden, og igen bliver den digitale værdi af amplituden af det modtagne foringsrørssignal lagret i datamaten 3o.

15 I den næste cyklus i sekvensen bliver instruktio ner sendt fra datamaten 3o til tidsstyre- og styreenheden 35 for at fastlægge betingelserne for aktiveringen af senderen T2 og for forbindelsen af modtageren R2. Efter "håndtryks"-signalet over lederen 41 aktiveres senderen 2o T2, og akustisk energi, som vandrer via foringsrøret, detekteres ved modtageren R2, hvor spidsamplituden E1 af den første halvperiode detekteres af amplitudedetektoren 51 og overføres af lederen 56, hvor den omsættes til et digitalt signal i multiplex- og A/D omsætteren 6o og sen-25 des op gennem hullet for lagring i datamaten 3o. Transittiden for energien mellem senderen T2 og modtageren R2 bliver også målt eller detekteret på den ovennævnte måde og sendt op gennem hullet.

Efter yderligere instruktioner fra datamaten 3o 3o og efter håndtrykssignalet bliver senderen T2 igen aktiveret, og energien, som modtages ved modtageren R2 via foringsrøret, føres over lederen 43 til modtagervælger-og forstærkningsorganerne 4o, hvor den analoge repræsentation af signalet igen sendes over lederen 44 via tele-35 metrimodemet 23 til monitoroscilloskopet 5o ovenfor hullet. På den ovenfor beskrevne måde bliver amplituden af den første halvperiode af energien, som ankommer via foringsrøret, detekteret og ført til multiplex- og A/D om-

DK 158593B

16 sætteren for overføring til datamaten 3o, og transittiden detekteres, og den digitale repræsentation fra amplitude-og transittidsdetekteringsorganerne 51 føres til telemetrimodemet 23 via lederen 55 for overføring op gennem hullet 5 til datamaten 3o for optegning om ønsket på det analoge optegningsapparat 62.

I det sidste trin af sekvensen vedrørende frembringelsen af akustisk energi og detektering efter vandring via foringsrøret bliver senderen T2 nu igen aktiveret, og lo udgangssignalet fra modtageren R3 føres via lederen 65 og modtagervælge- og forstærkningsorganerne 4o til telemetrimodemet 23 over lederen 44. Signalet eller bølgetoget fra modtageren R3 anvendes til frembringelse af en variabel densitetslog på i og for sig kendt måde.

15 Når optegningsapparatet 62 består af et oscillo skop og en fotografisk film, bliver en sådan log således frembragt ved afbøjning af en elektronstråle hen over fladen på oscilloskopet og modulering af stråleintensiteten med den modtagne akustiske energibølgeform under samtidig 2o bevægelse af filmen som en funktion af dybden af logging-værktøjet hen over fladen på oscilloskopet. En typisk variabel densitetslog er vist i fig. 4 i USA patentskrift nr. 3.696.884.

Dette fuldender nu sekvensen af operationer, som 25 udgør den akustiske detektering af fem cykler, nemlig T1 til R1, T1 til T2, T2 til R2, T2 til R1 og T2 til R3.

Hver cyklus kræver, at styreinformation sendes fra datamaten 3o til udstyret nede i hullet fulgt af et håndtrykssignal. Håndtrykssignalet er synkroniseringssignalet, 3o som informerer udstyret nede i hullet om at udføre instruktionerne. Efter indsamlingen af føringsrørssignalamplitude for hver sekvens frembringer datamaten 3o et dæmpningsgradssignal a i overensstemmelse med relationen defineret ved udtrykket (6), og dette signal optegnes som 35 en funktion af dybden af loggingværktøjet ved hjælp af op-tegningsapparatet 62.

Værktøjet nede i hullet indbefatter også kravedetektoren 21 og den naturlige gammastråledetektor 22. Ud-

DK 158593B

17 gangssignalet fra disse detektorer er vist ført over en leder 7o til multiplex- og A/D omsætteren 6o, der er styret af tidsstyre- og styreorganerne 35. De digitale repræsentationer af disse signaler/ som aktiverer de fem 5 perioder af den akustiske driftsmåde, føres op gennem hullet via telemetrimodemet 23 og kablet 15 til datamaten, hvor de behandles og optegnes som en funktion af dybden af det analoge optegningsapparat 62. Parametrene for den naturlige gammastråledetektor og kravedetektoren er anvendelo lige ved korrelering af den resulterende cementbindingslog med andre logs, der tidligere er taget i åbent hul.

I systemet i fig. 1 bliver senderne T1 og T2 aktiveret fire gange i hver sekvens af foringsrørssignalam-plitudemåling. Det er muligt mellem successiv aktivering 15 af senderen T1 eller successiv aktivering af senderen T2, at udgangssignalet fra den ene eller den anden sender kan variere. I dette tilfælde ville en fejl indføres i forholdsbestemmelsen. En sådan fejl på grund af pludselig variation i senderudgangssignalet kan undgås ved hjælp 2o af en fremgangsmåde, ved hvilken signaler fra modtagerne K1 og R2 frembringes for hver aktivering af senderen T1.

Ligeledes ville signaler fra modtagerne R2 og R1 blive frembragt for hver aktivering af senderen T2. Systemet i fig. 1 skulle modificeres til at indbefatte et andet am-25 plitude- og transittidsdetekteringsorgan ligesom organet 51. I dette tilfælde ville modtagervælgeorganet 4o forbinde modtageren R1 med et af detekteringsorganerne og forbinde modtageren R2 med det andet af detekteringsorganerne. Hver senderaktivering resulterer derfor i frem-3o bringelse af to modtagersignaler, som anvendes i en forholdsrelation, og følgelig undgås ved denne drift indføring af fejl på grund af hvilke som helst typer af ændringer i senderudgangssignal.

Det vil erindres, at systemet i fig. 1 sørger for 35 bestemmelsen af akustisk transittid mellem sendere og modtagere og optegningen af denne. Denne information er nyttig, når der kan optræde hårde formationer. I formationer, hvor vandringstiden er mindre end 187 mikrosekunder

DK 158593B

is pr. m, er lo4 cm amplitudemåling ikke længere gyldig. Det samme gælder en måling udført med en sendermodtager af s tand på 91 cm. Under sådanne forhold går formationssignalet, som vandrer bag cementkappen, for-5 ud og overlejrer sig på det foringsrørsbårne signal. Det er nu umuligt at måle dæmpningsgraden på grund af foringsrør- cementbindingen med de beskrevne transducerafstande.

Kortere transducerafstand ville synes påkrævet ved måling af dæmpningsgrad i et milieu med en hård eller lo fast formation. Kortere afstand indfører imidlertid fejl på grund af ekscentricitet. Jo kortere sender-modtagerafstanden er, desto mere udtalt er den ekscentriske virkning.

Da dæmpningsgradsmåling under sådanne forhold med fast formation er umulig, vil man i stedet for at standse 15 indsamling af data drage fordel af den fysiske positon af modtageren R3 til at fortsætte med at opnå en vis måling af cementbindingstilstande. Modtageren R3 er anbragt 152 cm fra senderen. T2 .med det formål at opnå en standardvariabel densitetslog. Dette placerer modtageren 2o R3 ca. 24 cm fra senderen TI. Man har fundet, at ved denne afstand vil det først ankommende signal være foringsrørssignalet, selv når formationsvandringstiden er så lav som 154 mikrosekunder pr. m.

I løbet af loggingoperationen vil operatøren iagt-25 tage værdien af transittiden mellem et udvalgt par af sender og modtager. Når den observerede transittid falder under transittiden for akustisk energi i foringsrør, vil datamaten 3o blive instrueret via terminalen 32 om at ændre sekvensen af operationer nede i hullet. Systemopera-3o tionen vil blive modificeret til at frembringe en sædvanlig cementbindingslog, hvor spidsværdien af den første halvperiode af signalet fra modtageren R3 i afhængighed af akustisk energi fra senderen T1 vil blive detekteret af amplitudedetekteringsorganet 51 og optegnet ved hjælp af 35 optegningsapparatet 62.

Når de foregående operationer udføres for at frembringe den sædvanlige cementbindingslog, frembyder sender-udgangssignalvariation et problem. I henhold til et andet

DK 158593 B

19 aspekt ved den foreliggende opfindelse afhjælpes fejl, som indføres af variation i senderudgangssignalet. Nærmere angivet bliver udgangssignalet fra modtagerne modificeret som en funktion af senderudgangssignalet.

5 Systemet nede i hullet indbefatter en senderener- gidetektor, som tilvejebringer en måling af energien, som frembringes af senderne T1 og T2, hver gang de aktiveres. Målingen foretages på spændingen, som føres til senderne af senderenergifødeenheden 36. Eksempelvis er en typisk lo spænding, som tilføres hver sender, ca. 15oo volt. Hvis udgangsspændingen fra energifØdeenheden varierer og falder til en så lav værdi som 75o volt mellem successive aktiveringer af senderen T1, vil den detekterede spidsamplitude af det modtagne signal også falde og resultere i en 15 fejl.

En måling af senderspænding (TV) frembringes i senderenergifødeenheden 36 og føres over en leder 75 til multiplex- og A/D omsætteren 6o. Den digitale værdi af den målte senderspænding anvendes af datamaten 3o i over-2o ensstemmelse med følgende udtryk: ΑΊ3 = ^ x ^ (7) hvor ΑΊ3 er amplituden af signalet, der skal optegnes eller på anden måde anvendes, 25 A13 er den målte signalamplitude, og G er forstærkningen af forstærkningsorganet 4o.

Den ovenfor beskrevne modfikation af modtagersignalet som en funktion af senderspændingen giver anledning til mere nøjagtige cementbindingslogs af sædvanlig type og kan an-3o vendes i andre systemer end det, der er vist i fig. 1.

Det er også værdifuldt ved forholdsmetoden, hvor der er mulighed for fluktuationer i senderspænding mellem successive aktivering af en given sender. Følgelig er systemet i fig. 1 indrettet til at drives på en sådan måde, at det 35 afføler værdien af senderspændingen for hver aktivering af senderne T1 og T2, og hvert modtaget signal modificeres af en faktor bestående af forholdet mellem den forudbestemte senderspænding og den målte senderspænding.

DK 158593B

20 I diskussionen ovenfor er der blevet henvist til ekscentricitet og problemer, som indføres, når ekscentri-citet bliver af en signifikant størrelse. Det foreliggende system kan frembringe en nøjagtig dæmpningsgradslog, 5 hvor ekscentriciteten er så stor som 7,6 mm.

Opretholdelse af denne grænse bliver et problem i devierede borehuller, hvor deviationen er større end 2o°. I disse tilfælde bliver vægten af loggingværktøjet i stigende grad udøvet imod centraliseringsorganerne, hvilket bevir-lo ker, at værktøjet bevæger sig bort fra en centreret stilling til en stilling nærmere foringsrøret. Ekscentricitets-problemet bliver betydeligt reduceret ved anvendelse af loggingværktøjet i fig. 4. Dette arrangement gør det muligt at holde værktøjet indenfor 7,6 mm af 15 foringsrørsaksen, hvor borehulsdeviationen er så stor som 9o°. Den nederste del 8o af værktøjet rummer senderne T1 og T2 og modtagerne R1,R2 og R3. Den nederste del 8o holdes centralt i foringsrøret ved hjælp af på linie liggende centraliseringsorganer 81 og 82, der hver har hjul 84 2o og 83 til at lette værktøjets passage langs foringsrøret.

Den nederste del 8o er i sig selv let nok til at undgå nævneværdig sammenpresning af centraliseringsorganerne 81 og 82, selv når delen er i en vandret stilling, dvs. en borehulsdeviation på 9o°. Den lette vægt opret-25 holdes ved effektiv mekanisk afkobling af den nederste del 8o fra resten af loggingværktøjet. Afkoblingen tilvejebringes af to bøjelige samlinger 91 og 92 beliggende mellem patronen 9o og den nederste del 8o. Leddelingen, som tilvejebringes af de bøjelige samlinger, frigør den 3o nederste' del fra sideværts udsving af patronen 9o og andre øvre dele af loggingværktøjet, som skyldes kræfter indbefattende tyndekraften.

Cementbindingsværktøjet er et loggingværktøj med en dimension på 7 cm, der er normeret til 35 176°C og 1,45 x lo8 Pa. Den del af værktøjet, som rummer transducerne er let,omkring 45,3 kg, og er gjort stiv. Den optimale sender-modtager af stand var sat til 73 cm og lo4 cm

DK 158593 B

21 for henholdsvis den nære og fjerhe modtager. En separat modtager var anbragt 152 cm fra den nederste sender for at tilvejebringe data for en variabel densitetslog. Den samme modtager beliggende 24 cm fra 5 den øverste sender tilvejebringer data for en sædvanlig cementbindingslog ved logging gennem faste formationer. Datamaten 3o, som anvendes i én udførelsesform, er en PDP 1134.

Der henvises nu til fig. 5, hvor der er vist eksemlo pier på BHC dæmpningsloggen frembragt i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse samt en naturlig gammalog, en kravelokaliseringslog og en transittidslog. Transittidsloggen er ret konstant i værdi, hvilket indikerer, at de detekterede signaler er foringsrørsbårne. Ikke uventet 15 er der i transittidsloggen pludselige ændringer, som skyldes fejlfunktion og er kendt som cyklusspring. Dæmpningsgradsloggen viser ved en dybde af 395 m en meget lav dæmpningsgrad, hvilket indikerer en dårlig cementbinding. En hvilken som helst måling over 32,8 db/m 2o ville angive en god cementbinding. Værdier mindre end 32,8 db/m kan være akceptable,og lave værdier af dæmpningsgrad bør give anledning til et spørgsmål med hensyn til kvaliteten af cementbindingen.

Claims (11)

1. Fremgangsmåde til opnåelse af en måling af kvaliteten af en cementbinding i forhold til et foringsrør i et borehul, kendetegnet ved følgende trin: til- 5 vejebringelse,i et borehulsværktøj med to i længderetningen i indbyrdes afstand liggende akustiske sendere og mindst to i længderetningen i indbyrdes afstand liggende akustiske modtagere,der er anbragt mellem de akustiske sendere, med en sender-modtagerafstand for at tilvejebringe et målo leligt signal-støjforhold,af ankomsten af et foringsrørssig-nal før ankomsten af et formationssignal og til at tolerere ekscentricitet på op til 7,6 mm, energi-fødning gentagne gange af de akustiske sendere for at føre akustisk energi ind i foringsrøret, som omgiver bore-15 hulsværktøjet, detektering ved modtagerne af energi fra en første af senderne, som ankommer til modtagerne via foringsrøret, detektering ved modtagerne af akustisk energi, som ankommer via foringsrøret fra en anden af senderne efter aktivering af den første sender, for hver af de fore-2o gående frembringelser og detekteringer måling af spidsam plituden af en udvalgt del af de akustiske foringsrørssignaler, som detekteres ved hver af modtagerne, tilvejebringelse af et forhold af spidsamplituderne i forbindelse med aktiveringen af den første sender, tilvejebringelse af 25 et forhold af spidsamplituden i forbindelse med aktiveringen af den anden sender, kombination af forholdene for at frembringe en funktion, der repræsenterer dæmpningen af akustisk energi, som vandrer gennem foringsrøret, og optegning af dæmpningen som en funktion af værktøjsposition 3o i borehullet.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at senderne hver aktiveres to gange for at frembringe fire akustiske impulser, og at spidsamplituderne af de resulterende fire foringsrørssignaler detekteres.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendete g- n e t ved, at senderne hver aktiveres én gang for at frembringe to akustiske impulser, og at hvert resulterende foringsrørssignal detekteres af begge modtagere. DK 158593 B

4. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at en aktiveringsspænding tilføres for at aktivere en sender, måling af værdien af spændingen, sammenligning af den målte værdi med en forudbestemt værdi af 5 spændingen for at frembringe en modificerende funktion, og tilførsel af den modificerende funktion til spidsamplituden af foringsrørssignalet hidrørende fra aktiveringen af senderen for at korrigere for variationer i værdien af aktiveringsspændingen . lo 5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendeteg net ved, at den modificerende funktion er forholdet af den forudbestemte værdi af spændingen og den målte værdi af spændingen.

6. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af 15 kravene 1-5, kendetegnet ved, at dæmpningen a bestemmes ved kombination af forholdene af spidsamplitude i overensstemmelse med følgende udtryk: 2o -m ln„ A12 å21 _ -15- ^°^10 A A a d2-d1 ‘ 11 22 hvor: d1 er afstanden mellem en sender og en nær modta- 25 ger, d2 er afstanden mellem en sender og en fjern modtager, A.| ^ er spidsamplituden af foringsrørssignalet fra den første sender til den første modtager, 3o A^ 2 er spidsamplituden af foringsrørssignalet fra den første sender til den anden modtager, A2-j er spidsamplituden af foringsrørssignalet fra den anden sender til den første modtager, og A22 er spidsampiituden af foringsrørssignalet fra 35 den anden sender til den anden modtager.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 1,kendetegnet ved, at borehulsværktøjet indbefatter en tredie akustisk

24 DK 158593 B modtager beliggende mellem den første af senderne og en hosliggende modtager, og at fremgangsmåden omfatter følgende trin, måling af transittiden for akustisk energi mellem senderne og i det mindste en af de to-modtagere, sammenligning af den målte transittid med en 5 kendt værdi for transittid for akustisk energi gennem foringsrøret, efter at den målte transittid er faldet til en forudbestemt værdi mindre end transittiden gennem foringsrøret, detektering af spidsamplituden af den første halvperiode af akustisk energi, som optræder ved den tredie modtager efter aktivering af den første sender, 10 og optegning af spidsamplituden som en funktion af værktøjsposition i borehullet.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at en aktiveringsspænding anvendes til at aktivere den første sender, at værdien af aktiveringsspændingen måles, at den målte 15 værdi sammenlignes med en forudbestemt spændingsværdi for at frembringe en modificeret funktion og anvendelse af den modificerede funktion på spidsampi ituden til at korrigere for variation i værdien af aktiveringsspændingen.

9. Apparat til tilvejebringelse af en måling af kvaliteten 20 af en cementbinding i forhold til et foringsrør i et borehul, kendetegnet ved et borehulsværktøj med to i længderetningen i indbyrdes afstand liggende akustiske sendere (TI,T2) og mindst to i længderetningen i indbyrdes afstand liggende akustiske modtagere (R1,R2) anbragt mellem de akustiske sendere, hvilke 25 modtagere er beliggende ca. 73 cm og 104 cm fra hver sender, organer (36) til gentagne gange at energiføde de akustiske sendere for at føre akustisk energi ind i foringsrøret, som omgiver borehul sværktøjet, hvilke modtagere detekterer energi fra en første af senderne, som ankommer til modtagerne via foringsrøret, hvilke 30 modtagere detekterer energi, som ankommer via foringsrøret fra en anden af senderne efter aktiveringen af den første sender, organer (50) til måling af spidsamplituden af en udvalgt del af det akustiske foringsrørssignal, som detekteres ved hver af modtagerne, organer (30) til tilvejebringelse af et forhold af spidsamplituderne 35 i forbindelse med aktiveringen af den første sender, organer (30) til tilvejebringelse af et forhold af spidsamplituden i forbindelse med aktiveringen af den anden sender, organer (30) til kombination af forholdene for at frembringe en funktion, der repræsenterer dæmpningen af akustisk energi, som vandrer gennem foringsrøret, og DK 158593B organer (62,63) til optegning af dæmpningsgraden som en funktion af værktøjsposition i borehullet.

10. Apparat ifølge krav 9, k e n d e t e g n e t ved en tredie modtager (R3) beliggende mellem den ene af senderne og de to 5 i afstand liggende modtagere, organer (50) til måling af transittiden for akustisk energi, som ankommer til i det mindste én af modtagerne, organer (30) til sammenligning af den målte transittid med en kendt transittid for akustisk energi gennem foringsrøret, som undersøges, organer (30) til tilvejebringelse af spidsamplituden 10 af den første halvperiode af akustisk energi, som optræder ved den tredie modtager efter aktiveringen af den ene sender, efter at den målte transittid er faldet under værdien af den kendte transittid, og organer (62,63) til optegning af spidsamplituden som en funktion af værktøjsposition i borehullet.

11. Apparat ifølge krav 10, kendetegnet ved, at den tredie modtager (R3) er beliggende ca. 24 cm fra den nævnte ene sender (TI) og ca. 152 cm fra den anden sender (T2). 20 30 35