ES2220917T3 - Procedimiento para medir la velocidad de propagacion de ondas acusticas ultrasonicas a traves de fragmentos de rocas. - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN METODO PARA MEDIR LA VELOCIDAD DE PROPAGACION DE ONDAS ACUSTICAS ULTRASONICAS COMPRESIVAS Y ROTACIONALES A TRAVES DE FRAGMENTOS DE ROCAS, PROCEDENTES DIRECTAMENTE DE LA PERFORACION DE POZOS EN LA INDUSTRIA DEL PETROLEO Y QUE TIENEN DIMENSIONES INFERIORES INCLUSO A UN CENTIMETRO DE DIAMETRO, EN DONDE DICHO METODO CONSISTE EN HACER PASAR LAS ONDAS ACUSTICAS A TRAVES DEL FRAGMENTO DE INTERES Y MEDIR SU TIEMPO DE TRANSMISION TRAS LA INTRODUCCION DEL FRAGMENTO ANTEDICHO ENTRE DOS TRANSDUCTORES PIEZOELECTRICOS APROPIADOS.

Description

Procedimiento para medir la velocidad de propagación de ondas acústicas ultrasónicas a través de fragmentos de rocas.

La presente invención se refiere a un procedimiento para caracterizar mecánicamente formaciones de rocas mientras se perfora un pozo en la industria del petróleo.

Este procedimiento amplía la potencialidad de la técnica normalmente utilizada en el laboratorio para las mediciones de la velocidad de propagación de ondas ultrasónicas en un testigo, a las mediciones en fragmentos de rocas que llegan a la superficie durante la perforación.

A fin de solucionar con éxito los problemas relativos a la perforación de un pozo de petróleo (estabilidad del pozo, producción de arena o hundimiento, etc) es importante ser capaz de caracterizar mecánicamente las formaciones de las rocas mientras se realiza la perforación.

Hasta ahora, como se informa en la patente americana USP 3,995,501, esto ha sido posible llevando a cabo pruebas geomecánicas en el laboratorio en testigos de muestras tomadas del pozo. Desgraciadamente, los resultados de estas pruebas dependen del tiempo y de los costes de las operaciones de formación de los testigos, así como de los trozos de roca de los que se extraen los testigos.

Entre las mediciones que se llevan a cabo en el laboratorio en muestras de rocas tomadas de testigo, existe la medición de la velocidad de las ondas acústicas ultrasónicas transversales y de compresión, que utiliza la técnica de la velocidad del impulso (de acuerdo con la norma ASTM D2845-90) la cual permite calcular el módulo de elasticidad, dentro del ámbito de la teoría de la elasticidad lineal, directamente correlacionada con la resistencia mecánica de las formaciones de rocas a partir de las cuales se recuperan los testigos.

Generalmente, a fin de obtener estos valores para la longitud completa del pozo, una vez que se ha completado la perforación, se graban las diagrafías sónicas, este término se refiere a la determinación de los tiempos de propagación de las ondas acústicas mediante de una sonda que se baja dentro del propio pozo; de este modo, sin embargo, no se puede intervenir en tiempo real en las estrategias de la perforación. La figura 4 muestra la comparación entre la diagrafía sónica y las mediciones de la velocidad de la onda de compresión en fragmentos de rocas, de aquí en adelante denominados "cortes" (Vp-PUC: Pulsed Ultrasound on Cuttings - Ultrasonido impulsado en cortes). Los datos fueron grabados por el solicitante en un pozo de petróleo en julio de 1994.

Para superar las desventajas descritas antes, el solicitante ha encontrado que es posible conseguir los propósitos anteriores analizando los cortes producidos mientras se realiza la perforación y que se recogen en la superficie, introduciendo a continuación los resultados en un programa de recolección de datos completos en el campo, como por ejemplo análisis geológico-petrográficos del lugar del trabajo y las mediciones de la huella.

En particular, el procedimiento de la presente invención es determinante porque proporciona información en tiempo real sobre la naturaleza de las capas de roca las cuales están siendo perforadas, permitiendo de ese modo la intervención incisiva durante la perforación.

Además, un conocimiento de la velocidad de propagación de las ondas acústicas ultrasónicas de compresión y transversales es de particular importancia en la calibración y la comparación con los datos del perfil sísmico y los registros de las diagrafías sónicas, principalmente con fines exploratorios.

La presente invención por lo tanto se refiere a un procedimiento para caracterizar mecánicamente las formaciones de rocas mientras se perfora un pozo en la industria del petróleo, comprendiendo los pasos que se definen en la reivindicación 1.

En particular, el procedimiento utiliza un generador de impulsos necesario para producir una señal eléctrica la cual permite al transductor emisor generar una onda ultrasónica de compresión o transversal, dependiendo del tipo de transductor utilizado.

Se tuvo especial cuidado en seleccionar los fluidos de acoplamiento entre los transductores y los cortes; estos fluidos se caracterizan por valores de la viscosidad entre 200 y 800 poises medidos con un gradiente de velocidad tangencial de 3,1 s^{-1} (norma del Instituto Americano del Petróleo - American Petroleum Institute 13 B-1).

La onda ultrasónica transmitida a través de la muestra es convertida en una señal eléctrica por el transductor que la recibe; la señal eléctrica recibida se visualiza entonces por medio de un osciloscopio digital el cual, considerando el retraso de los transductores y el circuito, permite determinar el tiempo de propagación de la perturbación ultrasónica a través de los cortes.

Puesto que se mide el grosor de los cortes, se puede por lo tanto determinar la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas de compresión y transversales.

La ventaja del procedimiento de la presente invención reside en ampliar la potencialidad de la técnica de la velocidad del impulso utilizada en el laboratorio a las mediciones de la propagación de ondas ultrasónicas en un testigo (por ejemplo muestras cilíndricas de 2,5 cm de diámetro y el doble de altura), a mediciones en fragmentos de rocas incluso con dimensiones de menos de un centímetro, los cuales llegan a la superficie durante la perforación.

Esta ampliación del procedimiento se hace posible debido a la utilización de transductores piezoeléctricos particulares, a la selección de la forma de los impulsos de emisión para ser determinada en relación con las características de los propios cristales piezoeléctricos, a la selección de las frecuencias de propagación y a la identificación de los fluidos necesarios para el acoplamiento mecánico entre los cortes y los transductores para optimizar la transmisión de la onda ultrasónica.

Como conclusión, el presente procedimiento sorprendentemente integra y mejora las aplicaciones conocidas y proporciona medios que pueden ser utilizados industrialmente para mediciones en el lugar del equipo perforador.

Con fines puramente ejemplares y sin restringir en modo alguno la invención, se debe indicar que el equipo experimental utilizado para el procedimiento de la presente invención consta de:

- un generador de impulsos con una amplitud del impulso variando desde 0,1 \mus hasta 20 \mus y preferiblemente desde 0,1 \mus hasta 2 \mus;

- un par de transductores piezoeléctricos capaces de generar ondas ultrasónicas de compresión altamente amortiguadas, con un ancho de banda del 100% o, alternativamente, un par de transductores piezoeléctricos capaces de generar ondas ultrasónicas transversales altamente amortiguadas, con un ancho de banda del 100%;

- un osciloscopio digital con una resolución mínima de 10^{-2} \mus.

Si la atenuación de los materiales es tan alta como para no permitir la detección de las señales sólo mediante el osciloscopio, se puede utilizar un amplificador de ganancia variable.

Los transductores seleccionados, caracterizados por una amortiguación muy alta y una selectividad extrema en la polarización, también permiten mediciones en cortes con dimensiones extremadamente reducidas sin efectos de borde, múltiples reflexiones y en particular, por lo que concierne a las ondas transversales, los efectos debidos a la conversión del modo son prácticamente inexistentes, ya que la elevada selectividad de los transductores asegura que la componente de compresión generada por las ondas transversales debido a las discontinuidades que ocurren durante la propagación no se superpone a la propia perturbación transversal.

En conclusión, las ventajas del procedimiento de la presente invención se pueden resumir como sigue:

- medición de la velocidad de propagación de ondas ultrasónicas de compresión y transversales a través de cortes y cálculo de ambos, el tiempo de propagación relativo y el módulo de elasticidad;

- instrumento que se puede utilizar industrialmente en las mediciones en el lugar del equipo perforador;

- simplicidad y rapidez en llevar a cabo las pruebas con hasta 10-12 determinaciones en cortes por hora mediante un único operario, incluyendo los tiempos de preparación de las muestras, la medición de la velocidad de propagación y el procesado de datos;

- buena reproductibilidad de la medición y ausencia de efecto de escala en muestras homogéneas de dimensiones diferentes;

- dimensiones de los cortes incluso inferiores al diámetro de los transductores, lo cual consecuentemente no limita la utilización del procedimiento de la presente invención;

- el paralelismo de las superficies de los cortes en contacto con los transductores deben asegurarse sólo para garantizar una medición correcta de la longitud de las muestras;

- el procedimiento ha demostrado ser aplicable también a muestras caracterizadas por un radio de poro promedio de más de 50 \mum;

- un aspecto completamente nuevo es también la determinación en los cortes de las velocidades de propagación de las ondas ultrasónicas (de compresión y transversales) ya que permite la caracterización mecánica del material, dentro de la gama de la teoría de la elasticidad lineal y por lo tanto el cálculo del módulo de elasticidad (Young, Bulk, Shear y Poisson) y, en particular, la aplicación de modelos semi-empíricos (como por ejemplo Coates & Denoo o Deree & Miller) para determinar la resistencia mecánica de la roca.

Debido a la extrema compacidad, bajo coste y transportabilidad del equipo experimental necesario para llevar a cabo las pruebas, así como la posibilidad de utilizar cortes con dimensiones extremadamente reducidas, este procedimiento se puede utilizar con éxito directamente en el lugar del equipo perforador, proporcionando una fuente de información "mientras se perfora".

El ejemplo experimental que sigue a continuación es otra vez ilustrativo, pero no limita la presente invención en modo alguno.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una comparación gráfica de las mediciones de la velocidad de la onda de compresión que se obtienen de acuerdo con el procedimiento de la presente invención para cada uno de tres tamaños diferentes de fragmentos de rocas de seis litologías distintas.

La figura 2 es la misma comparación gráfica de la figura 1 excepto en que las velocidades de la onda de compresión, de sólo cuatro de las litografías de rocas, se representan a una escala mayor de la velocidad de onda.

La figura 3 es una comparación gráfica de las mediciones de la velocidad de la onda transversal que se obtienen de acuerdo con el procedimiento de la presente invención para tres tamaños diferentes de fragmentos de rocas de seis litologías distintas.

La figura 4 es una comparación gráfica de las mediciones de la velocidad de la onda de compresión para fragmentos de rocas obtenidos a diferentes profundidades de perforación utilizando ambas técnicas, la técnica de la velocidad del impulso y la técnica de la diagrafía sónica.

Ejemplo 1

Para verificar la fiabilidad del procedimiento y la dependencia de la medición de la dimensión de las muestras de la prueba, se seleccionaron testigos de seis litologías diferentes sobre las cuales se midieron la velocidad de las ondas de compresión y transversales utilizando el procedimiento de la "velocidad del impulso" (para ser consideradas como valores de referencia).

Se produjeron tres cortes de dimensiones diferentes, por molido, a partir de cada testigo.

Cada corte se alisó con dos lados planos paralelos utilizando un disco de muela de diamante y se midió el grosor (tolerancia 0,01 mm).

El equipo utilizado consistió en: el transductor emisor conectado a un generador de impulso, una capa fina de fluido de acoplamiento (provisto de una viscosidad de 420 poises medidos con un gradiente de velocidad tangencial de 3,1 s^{-1}), el corte previamente preparado, una capa adicional de fluido y el transductor de recepción, conectado al osciloscopio.

El impulso eléctrico producido por el generador estimula la emisión del transductor el cual transmite una onda ultrasónica (de comprensión o transversal, dependiendo del transductor utilizado) a través del corte.

El transductor de recepción convierte la onda acústica en una señal eléctrica, la cual es entonces visualizada en el osciloscopio.

Por lo tanto es posible, considerando el retraso del tiempo de los transductores y el circuito, determinar el tiempo de propagación de la onda ultrasónica a través del corte.

Puesto que se ha medido el grosor del corte, se determina la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas de compresión o transversales.

Las pruebas preliminares llevadas a cabo en el laboratorio sobre cortes producidos a partir de testigos, mostraron una buena reproducibilidad de la medición y la ausencia de efectos de escala para muestras homogéneas.

En particular, la tabla 1 muestra los resultados relativos a las mediciones de la velocidad en ondas de compresión (Vp) y ondas transversales (Vs) llevadas a cabo en seis litografías seleccionadas diferentes, para cada una de las cuales se indican: el valor de referencia medido en un testigo con el procedimiento de la "velocidad de impulso" (ref.) y tres mediciones llevadas a cabo con el procedimiento de la presente invención, en cortes de dimensiones diferentes (G > 10 mm, M - 5 mm, P < 3 mm) a fin de mostrar los efectos de escala y en las figuras 1, 2 y 3 estos valores se representan gráficamente.

Debe indicarse que, en el caso de la Dolomita, las diferencias representadas por los valores de la velocidad son debidos a la presencia de fracturas presentes sólo en el testigo y no en los cortes.

TABLA 1

1

Claims (4)

1. Procedimiento para caracterizar mecánicamente formaciones de rocas mientras se perfora un pozo en la industria del petróleo, comprendiendo los siguientes pasos:

- recolección de los cortes que llegan a la superficie durante la perforación, los cortes teniendo dimensiones incluso inferiores a un centímetro y un radio de poro promedio de más de 50 \mum,

- rectificado de dos planos paralelos en el corte y medición del grosor,

- introducción de los cortes dentro de un par de transductores piezoeléctricos con un fluido de acoplamiento entre los cortes y los transductores,

- paso de las ondas ultrasónicas a través de los cortes, dichas ondas siendo generadas por un generador de impulsos con una amplitud del impulso variando desde 0,1 \mus hasta 20 \mus,

- visualización de las señales eléctricas obtenidas mediante un osciloscopio con una resolución de por lo menos 10^{-2} \mus, y

- medición del tiempo de propagación de las ondas a través del corte para obtener una medición en tiempo real de la velocidad de propagación sin interrumpir la perforación.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la amplitud del impulso está preferiblemente entre 0,1 \mus y 2 \mus.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 en el que las ondas acústicas ultrasónicas pueden ser ondas de compresión o bien ondas transversales.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 en el que el fluido de acoplamiento tiene una viscosidad que varía entre 200 y 800 poises.