DK166396B

DK166396B - Fremgangsmaade og apparat til akustisk undersoegelse af borehuller

Info

Publication number: DK166396B
Application number: DK494187A
Authority: DK
Inventors: James R Birchak; Robert A Lester; George Attali
Original assignee: Western Atlas Int Inc
Priority date: 1986-09-22
Filing date: 1987-09-21
Publication date: 1993-05-10
Also published as: DE3779538D1; NO872552L; EP0261825A3; EP0261825B1; DK494187D0; NO171468B; EP0261825A2; DK494187A; CA1283201C; US4805156A; DK166396C; NO872552D0; DE3779538T2; NO171468C

Description

DK 166396 B

Den foreliggende opfindelse angår et apparat og en ! fremgangsmåde til akustisk undersøgelse af borehuller, og især angår opfindelsen et apparat og en fremgangsmåde til undersøgelse af kvaliteten af cementbindingen mellem en væg 5 i et borehul, som er ført igennem jordlag, og en foring fast- ! cementeret heri. !

I olie- og gasindustrien færdiggøres brønde ved ind- I

sættelse af en rørstreng eller en foring i borehullet og i opfyldelse af det ringformede hulrum mellem røret eller 10 foringen og brugerhullet med cement. Ved denne cementeringsoperation adskilles de forskellige jordlags områder, og især adskilles de formationer, som fører olie eller gas, fra ikke-produktive formationer, såsom vandførende formationer. Når adskillelsen ved cementeringsoperationen er udført,

15 er kun de udpegede olie- og gasførende formationer gennemborede til produktion. Fejl eller ufuldstændigheder i cementbindingen vil sandsynligvis resultere i en ufuldstændig adskillelse mellem de forskellige formationer. Udsivning af vædsker under tryk gennem huller eller revner i cementen 20 mellem foringen og borehullets væg vil frembringe kontaminering af vædskerne i det ene område med vædskerne fra et andet område. Denne kontaminering er især uønsket, hvor vædsker fra vandbærende lag føres ud i vædsker i et produktionsområde. Et sådant udløb vil typisk resultere i nedsat 25 produktion af kulbrintevædsker og forøge produktion af ikke I

ønskede vædsker og kontaminering af udstyret. Dette medfører { ofte alvorlige økonomiske tab, og kan endog bevirke, at en i kilde ikke kan udnyttes. 1 I overensstemmelse hermed har det ønskelige i nøjagtig 30 fastlæggelse af kvaliteten af cementbindingen mellem en foring og en væg i et borehul i lang tid stået klart for olie- og gasindustrien. En "god binding" tilvejebringer den ønskede adskillelse af områder og opnås ved god adhesion, skønt mikrorevner og ringformede hulrum af mikrostørrelse kan 35 være tilstede.

Der er blevet udviklet mange systemer til undersøgelse />*

DK 166396 B

2 af bindingskvaliteten mellem en foring og væggen i et borehul. Kendte systemer til undersøgelse af cementbindingen i brønde i olie- og gasindustrien har indbefattet kendte akustiske cementbindingssystemer, hvori anvendes akustisk energi 5 i et antal forskellige indretninger og fremgangsmåder. Et sådant system er omtalt i US-patentskrift nr. 4.255.798, i hvilket system anvendes en akustisk impuls-ekko-teknik til undersøgelse af kvaliteten af cementbindingen i tilknytning til en foring og tykkelsen af en foring placeret i et bore-10 hul. Endvidere omtales i nævnte US-patentskrift i spalte 2-7 et antal patenter og artikler, som i detaljer beskriver mange kendte systemer til undersøgelse af cementbindingens-kvaliteten under anvendelse af akustisk energi. US-patentskrift nr. 3.781.784 omtaler et arrangement med to sendere, 15 som sender med indbyrdes forskellige frekvenser, og to modtagere, idet dæmpningen af signalerne mellem senderne og modtagerne anvendes til at vurdere karakteristika for en geologisk formation, som ligger op imod arrangementet. I US-patentskrift nr. 3.811.529 er omtalt et tilsvarende ar-20 rangement, med fire modtagere anbragt med indbyrdes afstand på 90° langs omkredsen af et boreværktøj, og en enkelt sender placeret under modtagerne og i borets centerlinie. Herudover omtales i US-patentskrift nr. 4.255.798 anvendelsen af et antal transducere, som er placeret perifert langs et bore-25 værktøj, idet transducerne er forskudt vertikalt i forhold til hinanden, og idet hver transducer virker ved at fastlægge levaliteten af cementbindingen bag foringen. Hver transducer foretager sin egen afgørelse, således at der ikke foretages en måling over en bue.

30 Disse kendte akustiske systemer har dog typisk en eller to større ulemper. Mange af disse kendte systemer tilvejebringer blot en gennemsnitlig angivelse af bindingskvaliteten langs hele foringens omkreds i den målte dybde i borehullet. Som følge heraf kan den person, som ved under-35 søgelsen anvender sådanne systemer, ikke fastlægge den placering i det horisontale plan omkring borehullet, hvor en

DK 166396B

3 kanal kunne være placeret. I virkeligheden kan den, som undersøger disse forhold, ikke skelne en kanal, som skaber vanskeligheder, fra flere små revner. Med andre systemer, i hvor der ikke tilvejebringes azimuthal skandering, måles i

5 bindingens tilstand kun i udpegede punkter langs omkredsen, I

og der tilvejebringes ingen indikation af bindingstilstanden langs buen mellem disse punkter.

Ifølge en udførelsesform af den foreliggende opfin- | delse er tilvejebragt et apparat til akustiske undersøgelser, j 10 som indbefatter en sonde til placering i et borehul, hvilken sonde indbefatter et antal transducere, af hvilke transducere to drives til udsendelse af akustiske impulssignaler, hvor to transducere virker ved modtagelse af akustiske impulssignaler, idet der er tilvejebragt organer til at drive de 15 to udsendende transducere, og organer til frembringelse af et signal svarende til amplituden af de akustiske impulssignaler, som modtages af de to modtagende transducere, og som er tilvejebragt ved transmissionen fra de to sendende transducere, og som er repræsentative for en akustisk transmis-20 sionskarakteristik for en udbredelsesvej, som ligger langs en ydre flade på sonden, karakteristisk ved, at hver transducer selektivt kan virke som en modtager og som en sender, at transducerne er placerede i et sådant antal og på en sådan vis, at driftsorganerne er i stand til at drive trans-25 ducerne som et antal sæt i forskellige planer, hver med et f

antal transducere, som kan være knyttet til mere end ét J

sæt, og hvor hvert sæt indbefatter fire sådanne transducere i placeret på en bue, som strækker sig langs den ydre flade, og hvor to af disse transducere i hvert sæt drives som sen- | 30 dere, og to drives som modtagere.

Transducerne i hvert sæt kan være placeret således, ! at transducerne i et hosliggende transducerpar i hvert sæt ,

udøver den samme funktion i sættet. Det foretrukne transdu- I

cermønster i sættene er stort set T1_R1-R2-T2- Andre anven- j 35 delige transducermønstre i sættene indbefatter R2-Ti-T2-R2 og Ti-T2-Ri“R2· Disse sæt giver mulighed for en fastlæggelse

DK 166396B

4 %o af kvaliteten af bindingen mellem hosliggende transducere, som udøver den samme funktion i sættet. Sættet er fortrinsvis placeret langs stigningen af en eller flere skruelinier langs værktøjets akse.

5 I en eksempelvis udførelsesform er transducerne pla cerede til udsendelse af akustiske signaler med maksimal styrke og til modtagelse af akustiske signaler med minimal styrke til forbedring af registreringsgrænserne for et apparat til undersøgelse af bindingskvaliteten.

10 Ved opstillingen af transducere i en udførelsesform af opfindelsen frembringes et organ til maksimering af det signal som udsendes eller modtages langs den bue, hvor undersøgelsen af den omgivende foring eller borehullet finder sted. Hver transducer indbefatter i det mindste to i række-15 følge styrede transducerelementer. I den foretrukne udførelsesform indbefatter hver transducer et par kvadratiske transducerelementer placeret langs aksen af værktøjet eller borehullet, med en størrelse på det halve af den akustiske bølgelængde og således placeret, at kanterne af kvadraterne 20 står vinkelret på transmissionslinien langs skrueliniestig-ningen og fortrinsvis i en vinkel på 45° med værktøjets akse. De enkelte elementer i disse transducere styres i rækkefølge for at opnå maksimal signalstyrke udsendt langs den stigende skruelinie, fortrinsvis i en vinkel på ± 45° i 25 forhold til aksen i værktøjet eller foringen, og er rettet mod de transducere, som virker som modtagere. Anvendelse af transducerelementer i en sådan opstilling maksimerer signalstyrken langs den bue, som undersøges, og forbedrer nøjagtigheden ved bestemmelse af bindingens kvalitet.

30 Registreringsapparatet kan yderligere indbefatte organer til frembringelse af et første og et andet akustisk impulssignal fra den anden udsendelsestransducer og organer til måling af den maksimale amplitude i en del af det første signal, som modtages i såvel den første som den anden mod-35 tagertransducer. Endelig indbefatter apparatet organer til fastlæggelse af den tid, som hver af de akustiske impuls-

DK 166396 B

5 signaler anvender til at bevæge sig mellem hosliggende par af ensvirkende transducere, som udpeger det første og det andet af de adskilte punkter på omkredsen, mellem hvilke ! bindingens kvalitet måles. | 5 Elektrisk forbundne med de ovenfor nævnte måle- og j registreringsorganer er organer til beregning til størrelsen j af dæmpningen af de akustiske impulssignaler mellem hosliggende par af ensvirkende transducere baseret på målingen af maksimumamplituderne og udbredelsestid. I endnu mere fore-10 trukne udførelsesformer er transducerne placerede med ækvidistante mellemrum langs et aflangt hus med en længdeakse. j I en eksempelvis opbygning udgør de fem transducere, som er placeret med ækvidistant afstand omkring huset i et enkelt | plan vinkelret på husets længdeakse, fem forskellige trans-15 ducersæt, som tilvejebringer målinger af bindingskvaliteten bag hver af de fem afsnit på 72° hver. På grund af de geometriske problemer, som mødes ved placeringen af transducerne omkring huset, især i tilknytning til mindre målebuer, placeres transducerne i de mest foretrukne udførelsesformer 20 langs en skruelinie. I en sådan foretrukken udførelsesform er der placeret ni transduceres ækvidistant langs en enkelt skruelinie på 480°, hvorved tilvejebringes måling for seks udsnit hver på 60°. Alternative foretrukne udførelsesformer indbefatter tolv transducere placeres i to skruelinier med 25 seks transducere i hver, idet de to skruelinier modsvarer 180° omkring huset. En anden alternativ udførelsesform indbefatter tolv transducere placeret i tre skruelinier med fire transducere i hver, idet hver skruelinie modsvarer 120° omkring huset. Hosliggende transducere er fortrinsvis 30 adskilt i en afstand, som mindst er så stor som 3 λ, hvor λ er bølgelængden for de akustiske impulssignaler i systemet, eller med en afstand, som i det mindste er så stor som 12tk, hvor t^ er tykkelsen af foringen i borehullet.

Apparatet kan yderligere indeholde organer til frem-35 visning af graden af dæmpning og til sammenligning af den beregnede dæmpning med en dæmpning, som angiver en god bin-

DK 166396 B

6 ding.

Ifølge opfindelsen er der tillige tilvejebragt en fremgangsmåde til akustisk undersøgelse, som indbefatter placering af en sonde i et borehul, idet sonden indbefatter 5 et antal transducere, af hvilke transducere to drives til udsendelse af akustiske impulssignaler, og to transducere virker ved modtagelse af akustiske impulssignaler, og fremgangsmåden indbefatter tillige drift af de to transducere, som virker ved udsendelse, og frembringelse af et signal, 10 som modsvarer amplituderne af de akustiske impulssignaler, som modtages af de to transducere, som virker ved modtagning, og som er tilvejebragt ved udsendelse fra de to transducere, som virker ved udsendelse, idet de er repræsentative for en akustisk transmissionskarakteristik for en udbredelsesvej, 15 som ligger langs en ydre overflade på sonden, og som er karakteristisk ved, at hver transducer selektivt virker som modtager og sender, og ved at transducerne drives som et antal sæt i forskellige planer, idet hver transducer kan høre til mere end et sæt, og idet hvert sæt indbefatter 20 fire af sådanne transducere placeret på en bue, som strækker sig langs den ydre overflade, og som definerer en sådan vej i et afsnit af omkredsen af borehullet, med to transducere i hvert sæt virkende som sendere, og to transducere virkende som modtagere.

25 Fremgangsmåden kan indbefatte trin med udsendelse af en første akustisk trykbølge gennem foringen langs en bue, som er fastlagt ved et første og et andet på omkredsen adskilt punkt, således at bølgen ankommer til det første punkt, før den ankommer til det andet punkt. Styrken af det udsendte 30 og det modtagne signal forbedres ved i rækkefølge at aktivere par af transducerelementer indbefattende hver transducer. Transducerelementerne indbefatter hver en lige ledende flade vinkelret på undersøgelsesbuen på en linie mod modtageren. Aktiveringen i rækkefølge af disse elementer med egnede 35 tidsforsinkelser maksimerer styrken af det udsendte og det modtagne signal. Den maksimale amplitude i bølgen måles i

DK 166396 B

7 både det første og det andet punkt tillige med den tid det tager for bølgen at bevæge sig mellem det første og det andet punkt. Fremgangsmåden kan yderligere indbefatte udsendelse af en anden akustisk trykbølge gennem foringen og ! 5 langs med buen, samt måling af den maksimale amplitude af den anden bølge, når denne modtages ved det første og det ! andet punkt. Fremgangsmåden kan yderligere indbefatte beregning af graden af dæmpning af den akustiske trykbølge mellem det første og det andet punkt ud fra de fire målte amplituder 10 og den målte udbredelsestid samt fremvisning af graden af dæmpning såvel angivelse af kvaliteten af cementbindingen.

Alternativt eller yderligere sammenlignes den beregnede dæmpning med dæmpningen for en god binding eller en binding af kendt kvalitet. Hvis dybden og orienteringen i borehullet 15 ikke er kendt på forhånd, kan fremgangsmåden yderligere indbefatte måling af azimuth for borehullet og dybden i borehullet. Udførelsesformer af det ved den foreliggende opfindelse tilvejebragte apparat og den ved opfindelsen tilvejebragte fremgangsmåde kan tilvejebringe organer til nøjagtig 20 fastlæggelse af kvaliteten af cementbindingen bag en bue i foringen i et cementeret borehul, og/eller til nøjagtig lokalisering af kanaler, revner og andre ufuldstændigheder i cementen bag foringen.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under 25 henvisning til tegningen, hvorpå: fig. 1 anskueliggør et ved den foreliggende opfindelse tilvejebragt akustisk registreringsværktøj ophængt i et ! ståltov og placeret indenfor den fastcementerede foring i et borehul,

30 fig. 1A er en afbildning af et tværsnit af en akustisk I

transducer, som kan virke i et akustisk registreringsværktøj i overenstemmelse med den foreliggende opfindelse, i fig. 2 anskueliggør projektionen af et transducermønster med en tredobbelts skruelinie, idet hver skruelinie på 35 180' er forskudt 120° om et akustisk registreringsværktøj, fig. 3 er en afbildning af en del af de ydre områder

DK 166396 B

8 af et akustisk registreringsværktøj, med det i fig. 2 viste transducersætmønster, fig. 4 er en afbildning af et tværsnit af det i fig.

3 viste akustiske registreringsværktøj langs linien 4-4, 5 fig. 5 er en afbildning af et tværsnit af det i fig.

3 viste akustiske registreringsværktøj langs linien 5-5, fig. 6 er en afbildning af en projektion af et transducermønster med en enkelt skruelinie på 480° omkring et akustisk registreringsværktøj, 10 fig. 7 er en anskueliggørelse af en projektion af et transducermønster med to skruelinier, hver skurelinie på 300° og forskudt 180° omkring et akustisk registreringsværktøj, fig. 8 er en afbildning af en ved den foreliggende 15 opfindelse tilvejebragt foretrukken udførelsesform set fra siden, fig. 9 er en afbildning af et tværsnit af fig. 8 langs linien 9-9, fig. 10 anskueliggør en akustisk transducerholder i 20 fig. 8, fig. 11 er en afbildning af en del af et akustisk registreringsværktøj med en retningstransducer, fig. 12 er et blokdiagram for de større komponenter og kredse i et akustisk registreringsværktøj, 25 fig. 13 er en grafik, som viser den iagttagende dæmp ning i en prøveforing med manglende cement i en bue på omtrent 120° og centreret omkring den viste nulposition, fig. 14 er en grafik, som viser den iagttagende dæmpning i en prøveforing med manglende cement i en bue på ca.

30 120° og centreret omkring den viste nulposition, fig. 15 er en grafik, som viser den iagttagende dæmpning i en prøveforing med manglende cement i en bue på omtrent 17,6° og centreret om den viste nulposition, fig. 16 er en grafik, som viser den iagttagende dæmp-35 ning i en prøveforing med manglende cement i en bue på ca. 17,6° og centreret omkring den viste nulposition,

DK 166396 B

9 fig. 17 er en grafik, som viser et udsendt signal fra et akustisk registreringsværktøj hvormed tilvejebringes resultater fra seks sektorer, som udgør en omkreds omkring foringen og anskueliggørende forskellige bindingskarakte- j 5 ristikker.

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde og et apparat til udøvelse af fremgangsmåden, som virker j ved registrering af kvaliteten af en binding mellem en væg ! i et borehul, som er ført igennem en jordformation, og en 10 foring, som er fastcementeret heri. Denne registrering udføres mellem to på omkredsen adskilte punkter på en bue af foringen. Den ved den foreliggende opfindelse tilvejebragte fremgangsmåde og apparatet til udøvelse af fremgangsmåden er opbygget med et antal transducere til udsendelse og mod-15 tagelse af en akustisk impuls trykbølge gennem foringen mellem de to på omkredsen beliggende, adskilte punkter.

Måling af den maksimale amplitude i en udpeget del af det signal, som modtages af transducere placerede ved de to adskilte punkter, og udbredelsestiden herimellem for hver 20 af to sådanne akustiske impuls trykbølger muliggør beregning af dæmpningsgraden for det akustiske impulssignal mellem de to punkter og sammenligning med dæmpningen mellem modsvarende punkter for en god binding eller en binding af kendt kvalitet.

25 Fig. 1 viser et akustisk registreringsværktøj 10, ved 12 fastgjort til et ståltov 24, som er ført over en j

remskive 26 til kendte apparater for ståltove på jorden I

(ikke vist) . På overfladen af værktøjet 10 er et antal transducerholdere 30 fordelt, idet begge holdere indbefatter 30 transducerelementer 40, som virker enten som sendere eller modtagere af et akustisk impulssignal. Elektrisk forbundet i med transducerelementerne 40 er tilvejebragt egnede elektriske kredsløb 20 til styring af operationen af transducere og til modtagelse og til behandling af information for til-35 vejebringelse af signalamplituder, udbredelsestid og dæmpningsgrad til beregning af bindingens kvalitet. Data frem- pi j

DK 166396 B

10 vises på et kendt registreringsorgan 22 eller ved andre egnede midler.

Det akustiske registreringsværktøj 10 er vist placeret i en foring 84, som er fastcementeret med cement 86 til 5 væggen i et borehul 82 i en jordformation 80. Transducerholderne 30 rager ud fra overfladen 14 på værktøjet 10, og kan blive tvunget til berøring med foringen 84 ved fjedre 46, som påvirker den bageste del af transducerholderne. Indstillingsringe 11 eller andre centraliseringsorganer som 10 kendes af fagfolk indenfor området, fastholder værktøjet 10 centralt placeret indenfor foringen 84.

Fig. 1A viser mere detaljeret en eksempelvis transducerholder 30 til anvendelse i et værktøj 10 i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse. Transducerholderen 15 30 indbefatter et transducerelement 40, som indeholder et tyndt skiveformet organ af et egnet keramisk piezoelektrisk materiale, eksempelvis bariumtitanat, blyzirconat titanat eller lignende, som er placeret centralt i det cylindriske bæreorgan 32. Et stort støtteorgan 41, som består af et 20 dårligt akustisk ledende materiale, såsom epoxymateriale opfyldt med wolfram eller lignende er placeret direkte bagefter transducerelementet 40. Disse organer er placeret i og dæmpet af et akustisk absorberende materiale 42, som består af porøst gummi og lignende til akustisk isolering 25 af transducerelementet fra overfladen 14 på værktøjet 10.

Det cylindriske bæreorgan 32 indbefatter et beskyttelsesorgan 34 af et beskyttende materiale, såsom teflon eller lignende, til beskyttelse af transducerelementet 40 mod berøring med den indre flade af foringen 84. Det cylindriske bæreorgan 30 32 ender indadtil med flangen 36 med en flade 38 som støder op mod og berører fladen 18 mellem koncentriske monteringsudboringer 16 og 17 til begrænsing af den radiale bevægelse af transducerholderen 30. En fjeder 46 fastholder transducerholderen 30 mod den indre flade på foringen 40, idet den 35 fuldt udstrakt ved flangen 36 stoppes mod fladen 18. En lignende akustisk sende-modtage transducerholder er omtalt

DK 166396 B

11 i US-patentskrift nr. 3.811.529, fig. 4, hvortil henvises.

Elektriske kontaktelementer 44 er ført fra transducerelementet 40 til styringskredsene 20 gennem en midtstillet udboring |

48 gennem værktøjet 10. I

5 Fig. 11 viser en transducerholder i overensstemmelse med den ved den foreliggende opfindelse tilvejebragte forbedrede udformning. Hver transducerholder 30 indbefatter et par transducerelementer 40a og 40b, som drives i rækkefølge enten som sendere i rækkefølge eller som modtagere i ræk-10 kefølge. Transducerne indbefatter transducerelementer 40a og 40b, centreret ved henholdsvis a og b, og fortrinsvis placeret langs aksen i værktøjet 10 eller foringen 84, begge vist ved linien "A". Afstanden mellem centrene i transducerelementerne 40a og 40b er d^ Transducerelementerne 40a og 15 40b er således udformede, og deres centre er således place ret, at den på egnet vis tidsfastsatte aktivering af elementerne frembringer positiv interferens mellem de akustiske impulser langs den bue, som skal undersøges, og negativ interferens i andre retninger. Ved denne placering og akti-20 vering frembringer transducerelementerne 40a og 40b signaler langs den bue, som skal undersøges, med forbedret styring.

Signalerne kan, når de placeres langs en linie parallelt med værktøjets akse, som vist i fig. 11, let styres langs banen for såvel en højre som en venstre skruelinie. Hvis 25 placeret langs en linie, som ikke er parallel med værktøjets akse, kan styring langs såvel højre som venstre skruelinier stadigt tilvejebringes, efter at en egnet forsinkelse for hver retning er beregnet. Skønt vanskeligere, er beregningen ! af denne forsinkelse stadigvæk kendt af fagfolk indenfor 30 området.

I den foretrukne udførelsesform indbefatter hvert transducerelement 40a og 40b en overvejende retlinet forreste kant placeret vinkelret, på den bue som skal undersøges, og på en linie, som forbedrer transducerne/modtagerne i sættet.

35 I den mest foretrukne udførelsesform er transducerelementerne kvadratiske med sider, som har længde, som er lig med den

DK 166396 B

12 %o halve bølgelængde af det akustiske signal, som skal udsendes, således at centrene a og b og forfladerne hver er adskilte i en afstand, som er lig med det halve af bølgelængden af den akustiske impuls bølge langs denne bue. Gennem en egnet 5 tidsstyring tilvejebringes ved en aktivering i rækkefølge af transducerelementerne 40a og 40b i den mest foretrukne udførelsesform en maksimering af signalstyrken i vinklen ψ, det vil sige skrueliniens stigning og vinklen for den bue som skal undersøges i fig. 11. I den mest foretrukne udførel-10 sesform, hvor skrueliniens stigning i transduceropbygningen er 45°, og vinklen mellem værktøjets akse og den linie, som forbedre centrene a og b i transducerelementerne 40a og 40b, er nul, maksimerer denne opbygning signalstyrken i ± 45°, hvorved tilvejebringes forbedrede resultater. Ved 15 aktivering af det transducerelement, som ligger tættest ved modtagerne, i fig. 11 transducerelementet 40a for modtagerne 34 eller transducerelementet 40b for modtagerne (ikke vist), som er placeret omkring transducerholderen 30, forsinkes med en tidsfaktor t^ = d2/Vs^ hvor d2 er afstanden langs 20 den bue, som skal undersøges, mellem vinkelrette fra centrene a og b af transducerelementerne. Især fås: t2 = dl ·cosΨ

Vs hvor t(j = tidsforsinkelsen mellem aktivering af transducer-25 elementerne 40 a og 40b, d]_ = afstanden mellem centrene i transducerelementerne 40a og 40b,

Vs = den akustiske bølges udbredelseshastighed i registreringsbuen i foringen eller formationen, 30 ψ = vinklen mellem den linie, som forbinder centrene a og b i transducerelementerne 40a og 40b og den bue, som skal undersøges.

Fig. 12 viser i blokdiagramform de større kredsløb 35 og funktioner ved den foreliggende opfindelse. Udpegning af de transmittere, som skal aktiveres som de enkelte trans-

DK 166396 B

13 mitterpar tilvejebringes gennem transmitterudpegningsorganet 50, som aktiveres ved signalstyret ved transmitteraktive-ringsorganet 52. Udpegning af det par modtagere, som skal aktiveres i tilknytning til hver aktiveret transmitter til-5 vejebringes gennem modtagekanaludpegningsorganet 60. Det modtagne signal ledes gennem forstærkningsstyringsforstærkeren 62 til organet 64 til måling af den modtagne amplitude og den styrede tidsdetektor 66. Indgangssignaler og udgangssignaler til og fra disse kredsløbsstyringsindretninger 10 styres ved styrings- og dataopsamlingssystemet 68. Endelig kan signalerne udsendes til og fra styrings- og dataopsamlingssystemet 68 over et kendt telemetrisystem 70. I det foran forklarede styrekredsløb anvendes kendte kredse og underkredse, som er velkendte for fagfolk indenfor området, 15 og som derfor ikke skal omtales mere detaljeret her.

I to udførelsesformer indbefatter et akustisk registreringsværktøj til anvendelse i tilknytning til den foreliggende opfindelse fem eller 6 transducere placeret symmetrisk i et enkelt plan vinkelret på aksen gennem værktøjet 20 10, idet transducerne er placeret ækvidistant omkring over fladen 14 i vinkelspidserne i en femkant eller en sekskant.

Man kan også sige, at disse transducere er placeret langs buen på en skruelinie på 360° med en stigning på nul. En femkantet opstilling tilvejebringer fem sæt af fire ækvidis-25 tant placerede transducere til frembringelse af information om hver af fem sektorer på 72° langs omkredsen af foringen.

I den sekskantede opstilling tilvejebringer seks transducersæt tilsvarende information om hver af seks sektorer på 60° placeret langs omkredsen. I virkeligheden er en sådan plan 30 fordeling af transducere vanskelige at opnå på grund af den trængsel der opstår som følge af forsøget på at placere fem eller seks transducere i et enkelt plan i et værktøj, hvis diameter er begrænset, så værktøjet kan passere gennem et \ borehul. I overensstemmelse hermed er der udformet flere 35 foretrukne udførelsesformer i tilknytning til placering af et minimalt antal transducere til frembringelse af de ønskede

DK 166396 B

14 resultater.

I fig. 6 er vist en sådan opstilling, hvor ni transducere er placeret ækvidistant langs en enkelt skruelinie på 480° omkring længdeaksen af værktøjet 10. Fig. 6 anskue-5 liggør det sætmønster, som ville frembringes ved en sådan opstilling. Hvor det midtstillede par af fire hosliggende transducere virker som modtagere, og de ydre transducere virker som sendere, ville det værktøj, som var tilvejebragt med mønsteret i fig. 6 frembringe information om kvaliteten 10 af bindingen i området mellem transducerne T2 og T3, hvor sættet indbefatter transducerne 12-14. tilsvarende vis ville information om bindingskvaliteten i området mellem transducerne T3 og T4 blive tilvejebragt ved anvendelse af det sæt, som indbefatter transducerne T2-T5, og så fremdeles, 15 indtil information om bindingskvaliteten i området mellem transducerne T7 og Tg tilvejebringes ved det sæt, som indbefatter transducerne Tg-Tg # Fagfolk indenfor området vil umiddelbart kunne indse, at andre opstillinger, eksempelvis de tidligere omtalte opstillinger RTTR og TTRR kunne anvendes 20 i stedet for den netop forklarede opstilling TRRT for tilvejebringelse af information om hver sektor langs foringens omkreds. Yderligere vil fagfolk indenfor området kunne indse, at transducerne ikke nødvendigvis skal være adskilt i en bue på 60°, og at en tættere placering af et stort antal 25 transducere langs en skruelinie med større stigning kunne muliggøre registrering af bindingskvaliteten i egnede snævrere buer langs omkredsen af foringen. Det skal imidlertid bemærkes, at afstanden mellem hosliggende transducere fortrinsvis skal fastholdes således, at den i det mindste er 30 3 λ, hvor λ er bølgelængden af de akustiske signaler, for at kunne tilvejebringe tilfredsstillende resultater. Hertil kommer, at afstanden mellem hosliggende transducere, eftersom bølgelængden ikke bør overstige 4-^h, hvor t^ er tykkelsen af foringen, ikke bør være mindre end 12¾. Da t^ for almin-35 delige anvendte foringer er en kvart tomme til en halv tomme (ca. 6,3 til 12,7 mm), skulle afstanden mellem hosliggende

DK 166396 B

15 transducere typisk ikke være mindre end seks tommer (ca. 15 cm)'.

I fig. 7 er vist en anden opstilling af transducere, hvor der anvendes tolv transducere T^-T12 placeret i to 5 skruelinier på hver 300° på overfladen af et værktøj 10. Transducerne virker både som sendere og modtagere. Skruelinierne er forskudt 180° indbyrdes på overfladen 14 på værktøjet 10. Der udføres målinger af samme art, som de i tilknytning til den enkelte skruelinie med ni transducere 10 omtalte. X denne opstilling registreres bindingskvaliteten mellem T2 og T3, T3 og T4, og T4 og T5 under anvendelse af transducerne T^-Tg i den første skruelinie, og bindingskvaliteten mellem T8 og T9, Tg og T1Q og T1Q og τχι tilvejebringes under anvendelse af transducerne T7-T12 i den anden 15 skruelinie. I denne opstilling er to transducere placeret diamentralt i hver af seks planer, som ligger vinkelret på aksen i værktøjet 10 for tilvejebringelse af information om hver af seks ækvidistante udsnit langs foringen i en kortere vertikal afstand.

20 Fig. 2-5 viser en opstilling med tolv transducere placeret i tre skruelinier hver på 180° og forskudt 120° på overfladen af værktøjet 10. I en sådan opstilling er der i virkeligheden fire transducere, som ligger på en enkelt bue af hver ud af tre venstre og tre højre skurelinier således, 25 at hver skruelinie virker ved registreringen af bindingskvaliteten i en af seks sektorer på en omgivende foring.

Denne opstilling tilvejebringer information begrænset ·indenfor et snævert vertikalt område d. I denne opstilling indbefatter hvert sæt de to modtagere og de to sendere langs 30 hver diagonal linie i fig. 2. Målingerne udføres mellem hosliggende modtagere, som vist ved de fuldt optrukne linier i fig. 2.

Der blev opbygget en afprøvningsindretning med senderne T]_ og T2 og modtagerne og R2 i et mønster af formen 35 TRRT, idet transducerne blev placeret langs en skruelinie på 180°, hver adskilt ved 60° og med en vertikal afstand d

DK 166396 B

16 på 6 tommer (ca. 15 cm) i overensstemmelse med den i fig. 2 og 3 viste opstilling, f.eks. TiR2R3T4 eller T3R4R5T5. Akserne for de to sendere dannede en vinkel på indbyrdes 180°, og den bue, som sættet målte i, er buen mellem de to mod-5 tagere R^ og R2.

I brug udsender et akustisk impulssignal i den omgivende foring, idet der først tilvejebringes et signal ved R^ og senere hen ved R2. Den maksimale amplitude idet signal, som først modtages i Rx og senere hen i R2 blev 10 målt og registreret. T2 aktiveredes herefter til udsendelse af et lignende signal, som blev modtaget og målt først i R2 og herefter R]_. Herudover blev tiden for signalets udbredelse mellem R^ og R2 målt for begge de akustiske trykbølger. Dæmpningsgraden bestemmes ud fra ligningen: 15 ( a11a22 ) A12A21 20 a12 _ 20 log__ VS + t21 tll t22 hvor a12 = dæmpningsgraden mellem Rx og R2,

Vs = den akustiske bølges udbredelseshastighed i 25 foringen,

Aj^j = amplituden af det signal, som modtages ved Rj fra senderen T·^, hvor i = 1 eller 2 og j = 1 eller 2, t^j = det tidspunkt, hvor signalet fra T-j^ modtages ved 30 Rj hvor i = 1 eller 2 og j = 1 eller 2.

Den her nævnte indretning blev afprøvet i et simuleret borehul, hvor foringen var fastcementeret med hydrolit til en simuleret borehulsvæg. Foringen var en kendt foring 9-35 3/4" OD (24,7 cm) med en vægtykkelse på 0,462 tommer (ca.

1,17 cm) eller o,22 λ, hvor λ er bølgelængden af det akus- 17 tiske impuls signal. Et hulrum, som modsvarer en ikke bundet sektor på 120° blev frembragt omkring et nulreferencepunkt. Denne model blev placeret i en vandfyldt tank og målinger blev udført i et område omgivende den ikke bundne sektor og 5 60° på hver side deraf. Der blev optaget data med 10°'s mellemrum langs rørets omkreds, og dæmpningen for maksimum signalet E1 og det sekundære signal E2 blev indlagt i en grafik tii frembringelse af de resultater, som er vist henholdsvis i fig. 14 og fig. 13. Det slående træk ved disse 10 kurver er den symmetri, som opnåedes for minimumsdæmpningen i punkter, som modsvarer hulrummet eller en bue på røret med dårlig bindingskvalitet.

En lignende afprøvning blev udført med en prøvering med et hulrum, som modsvarede en vertikal kanal på 17,6° i 15 referencepunkt nul. Alle andre betingelser var identiske. Resultatet af den målte dæmpning er vist i fig. 15 og 16, hvor en væsentlig, målelig dæmpningsforskel, som er mest fremtrædende ved den snævre vertikale kanal, er anskuelig-gj ort.

20 Indføjningen af en sådan indretning i et akustisk registreringsværktøj ophængt i et ståltov, hvor der er tilvejebragt en kendte strimmelskriver, kunne resultere i let læselige udskrifter, såsom vist i fig. 17. Kendte dybde-og azimuthindretninger 13 vil for operatøren tilvejebringe 25 dybden af hver måling og den horisontale placering af hver af sektorerne 1-2, 2-3 til 6-1. En sådan indretning kan let angive, hvorvidt foringen og cementen har tilvejebragt en god binding langs den samlede omkreds af foringen, eller hvorvidt en dårlig binding eksisterer i en eller flere af 30 de målte sektorer omkring foringen.

Det i fig. 8-10 viste værktøj er den øjeblikkelige foretrukne udførelsesform af et værktøj ophængt i et ståltov i overensstemmelse med den foreliggende opfindelse. Værktøjet 110 indbefatter 12 indstilleligt anbringelige transducer-35 holdere 130, som er opstillet i den i fig. 2 viste trans-ducerholderopstilling. Værktøjet 110 indbefatter seks ind-

DK 166396 B

18 stillelige arme, idet hver arm indbefatter to transducerholdere 130 indbyrdes adskilte ved et afstandsstykke 128.

Hver arm indbefatter yderligere en øvre arm 124, som er drejeligt fastgjort i sin øvre ende til den midtstillede 5 kropsdel 120 af værktøjet 110, og drejeligt fastgjort ved 134 til den øvre transducerholder 130a. En lignende nedre arm 126 er drejeligt fastgjort i sin nedre ende til den midtstillede værktøjsdel 120 og drejeligt fastgjort i sin øvre ende til bunden af den nedre holder 130b. Hver af disse 10 arme 124 og 126 er indrettet til at kunne glide langs med den midtstillede del 120 af værktøjet 110 således, at en glidering og motor (ikke vist) kan skubbe til eller trække i armene langs del midtstillede del 120 af værktøjet 110 for henholdsvis at kunne skubbe transducerholderne 130 ud 15 eller trække dem tilbage. I den tilbagetrukne stilling ligger transducerholderne 130 tæt op mod den midtstillede værktøjsdel 120 indenfor nedfræsninger 122, for således at tilvejebringe et værktøj, som let føres igennem foringen. Skubbes de arme, som bærer transducerholderne 130, ud, føres trans-20 ducerelementerne 140a og 140b, som er fastgjorte i et absorberende materiale 142, således ud at de bringes i nær berøring med den indre væg på den foring, som skal afprøves.

Der er blevet vist og forklaret en indretning og en fremgangsmåde, hvori anvendes et antal transducere, som 25 hver består af to transducerelementer placeret ækvidistant langs en eller flere skruelinier. Imidlertid vil en fagmand indenfor området kunne indse, at et antal transducerelementer placeret med indbyrdes afstand og aktiveret på egnet vis i rækkefølge vil kunne anvendes til yderligere at forbedre 30 retningssignalstyrken.

Det ved den foreliggende opfindelse tilvejebragte apparat og den ved opfindelsen tilvejebragte fremgangsmåde kan også anvendes til udøvelse af azimutalt afhængige målinger i hårde jordformationer til registrering af revner i et 35 ikke foret borehul. Ved registrering af revner måles dæmpningen af den akustiske transversalbølge i stedet for dæmp- i 19

UlV 100*330 D

► ningen af kompressionsbølgen.

<5

Claims

20 DK 166396 B 4

1. Akustisk undersøgelsesapparat med en sonde (10) til placering i et borehul (82) og indbefattende et antal transducere (40) , hvoraf to transducere (40) drives til 5 udsendelse af akustiske impulssignaler, og to transducere (40) drives til modtagelse af akustiske impulssignaler, og hvor der er tilvejebragt organer (20,50,60) til drift af de to transducere, som udsender signaler, og organer (20,64,70) til frembringelse af et signal, som modsvarer amplituden af 10 de akustiske impulssignaler, som modtages af de to transducere, som drives til modtagning, og som er tilvejebragt fra udsendelser fra de to transducere, som drives til sending, og som er repræsentative for en akustisk transmissionskarakteristik for en udbredelsesvej, som ligger langs en ydre 15 flade på sonden, kendetegnet ved, at hver transducer (40) selektivt kan drives som en modtager og en sender, at transducerne er opstillet i sådant et antal og på en sådan måde, at driftsorganerne (20,50,60) kan drive transducerne som et antal sæt i forskellige planer, idet hver af 20 transducerne ud af antallet af transducere kan være knyttet til mere end et sæt, og idet hvert sæt indbefatter fire sådanne transducere, som er placeret på en bue langs den ydre flade, og hvor to transducere i hvert sæt drives som sendere (T), og to transducere drives som modtagere (R).

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de signalfrembringende organer (20,64,70) indbefatter organer til fastlæggelse af tiden for udbredelse af et akustisk impulssignal, som bevæger sig mellem to transducere (R) for modtagning i forhold til hver af de drevne sæt af 30 transducere (40).

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at de signalfrembringende organer (20,64,60) indbefatter organer til fastlæggelse af dæmpningen af et akustisk impulssignal, som bevæger sig mellem to modtagende 35 transducere (R) i forhold til hvert drevet sæt af transducere (40). 21

4. Apparat ifølge krav 1-3, kendetegnet ved at indbefatte et antal holdere (30), som er udformet til at blive ført ud og radialt fra sonden (10) til berøring med en væg eller en foring i et borehul, når sonden er pla- 5 ceret deri, idet transducerne (40) er placeret op imod den ydre flade på holderne.

5. Apparat- ifølge krav 1-4, kendetegnet ved, at samhørende transducere (40) er placeret med en indbyrdes afstand, som i det mindste har en størrelse svarende 10 til tre gange den valgte bølgelængde for det akustiske impulssignal.

6. Apparat ifølge krav 1-5, kendetegnet ved, at transduceren (40) indbefatter et første og et andet transducerelement (40a,40b), og at driftsorganeme (20,50,60) 15 aktiverer det første og det andet element i en rækkefølge, som er valgt således, at amplituden i det akustiske impulssignal forøges i én retning langs buen.

7. Apparat ifølge krav 1-6, kendetegnet ved, at transducerne (40) er placeret langs i det mindste 20 én skruelinie omkring en længdeakse i sonden (10).

8. Apparat ifølge krav 7 med tolv transducere (40) placeret i to skruelinier med seks transducere i hver, kendetegnet ved, at transducerne er placeret i seks planer vinkelret på længdeaksen, og at hvert plan ind- 25 befatter en transducer, som er knyttet til en af skruelinierne, placeret diametralt over for en transducer, som er knyttet til den anden af skruelinierne.

9. Apparat ifølge krav 7 med tolv transducere (40) placerede i tre skruelinier med fire transducere i hver, 30 kendetegnet ved, at transducerne er placerede i fire planer vinkelret på længdeaksen, og at hver af disse planer indbefatter en transducer knyttet til hver af skruelinierne og placeret med indbyrdes afstand omkring aksen på 120°.

10. Apparat ifølge krav 7, med ni transducere (40) placeret i en skruelinie på 480° omkring aksen, kende- DK 166396 B 22 tegnet ved, at driftsorganerne (20,50,60) driver transducerne i seks sæt med fire transducere i hver sæt.

11. Apparat ifølge krav 1-10, kendetegnet ved, at apparatet er udformet til at blive placeret i en 5 foring, som er fastcementeret i et borehul, og at signalerne, e som er tilvejebragt ved de signalfrembringende organer (20,64,70) , er repræsentative for kvaliteten af cementbindingen mellem foringen og borehullets væg i de sektorer omkring aksen, som er knyttet til hver af de drevne transducersæt.

12. Fremgangsmåde til akustisk undersøgelse, som indbefatter placering af en sonde (10) i et borehul (22), hvilken sonde indbefatter et antal transducere, idet to af transducerne (40) drives til udsendelse af akustiske impulssignaler, og to af transducerne (40) drives til mod-15 tagelse af akustiske impulssignaler, drift af de to transducere til udsendelse af signaler og frembringelse af et signal, som modsvarer amplituderne af de akustiske impulssignaler, som modtages af de to modtagende transducere, og som er tilvejebragt fra udsendelser fra de to transducere, som 20 udsender signaler, og som er repræsentative for en akustisk transmissionskarakteristik for en udbredelsesvej langs en ydre flade på sonden, kendetegnet ved, at hver transducer selektivt drives som en modtager og som en sender, og at transducerne drives som et antal sæt i forskellige 25 planer, idet hver transducer ud af transducermængden kan høre til mere end et sæt, og idet hvert sæt indbefatter fire transducere placeret på en bue, som forløber langs den ydre flade, og idet en sådan udbredelsesvej fastlægges i et afsnit af omkredsen for borehullet, med to transducere i 30 hvert sæt drevne som sendere (T) og to drevne som modtagere (R).

13. Fremgangsmåde ifølge krav 12, kendetegnet ved, at trinet med frembringelse af et signal indbefatter fastlæggelse af dæmpningen af det akustiske im-35 pulssignal ved dettes udbredelse mellem de to transducere, som drives som modtagere. DK 166396 B 23

14. Fremgangsmåde ifølge krav 12 eller 13, kendetegnet ved at indbefatte gentagelse af trinnene i krav 12 i forhold til et andet afsnit således, at der færdiggøres en omkreds omkring sonden.

15. Fremgangsmåde ifølge krav 12-14, udøvet i et borehul med en fastcementeret foring, kendetegnet ved, at trinnet til frembringelse af et signal indbefatter frembringelse af signal, som er repræsentativ for kvaliteten af cementbindingen mellem foringen og borehullets væg i det 10 pågældende afsnit.

16. Fremgangsmåde ifølge krav 15, kendetegnet ved at indbefatte sammenligningen af signalet for cementbindingskvaliteten med et tilsvarende signal, som er repræsentativt for en cementbinding af forud fastlagt kvali-15 tet.