ES2390131T3 - Método y sistema para generar un haz de energía acústica desde un barreno y aplicaciones del mismo - Google Patents

Abstract

Un método para generar un haz de energía acústica en formaciones rocosas penetradas por un barreno,comprendiendo el método:generar una primera señal acústica (110) a una primera frecuencia (f1);generar una segunda señal acústica (120) a una segunda frecuencia (f2) diferente de la primera frecuencia, donde laprimera señal acústica y la segunda señal acústica son generadas por una disposición (230, 905, 920) detransductores (220) localizada dentro del barreno (130, 910, 1020), donde la primera señal acústica y la segundaseñal acústica son colineales y producen, por mezcla colineal un haz acústico colimado (150) en la formaciónrocosa;recibir en uno o más receptores (915), a través de la formación rocosa, una señal recibida que resulta de lainteracción del haz acústico colimado con una inhomogeneidad de la formación rocosa a medida que el haz acústicocolimado se propaga a través de la formación rocosa; yanalizar la señal recibida para determinar la información acerca de la formación rocosa.

Description

Método y sistema para generar un haz de energía acústica desde un barreno y aplicaciones del mismo

Derechos del Gobierno

Está invención está hecha con soporte del Gobierno y el contrato de Investigación Cooperativa y Acuerdo para el Desarrollo (CRADA) número DE-AC52-06NA25396 otorgado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El Gobierno puede tener ciertos derechos en esta invención.

Campo

La presente invención se relaciona en general con la auscultación acústica de formaciones de roca alrededor de un barreno y más particularmente con el uso de la combinación de una fuente acústica que incluye un transductor sencillo o un arreglo de transductores en la perforación del pozo y en la formación cercana a la perforación del pozo acústicamente no lineal como fuente de un haz acústico.

Antecedentes

La auscultación acústica de la subsuperficie tiende a ser limitada por el tamaño y potencia de las fuentes prácticas, y en la práctica, el rendimiento de transductores acústicos en el fondo de la perforación está limitado por las capacidades de transmisión de energía del cable de la línea de alambre. Las señales de alta frecuencia tienen una distancia de penetración relativamente corta mientras que las señales de frecuencia baja generalmente requieren fuentes grandes, fijadas a la pared del barreno, para maximizar la transferencia de energía a la formación y minimizar señales no deseadas dentro de la perforación del pozo. Se han hecho intentos para producir tales señales de baja frecuencia, pero cada una tiene sus propias deficiencias. Por ejemplo, la Patente de los Estados Unidos No. 5,521, 882 de D´Angelo et al., divulga una herramienta acústica diseñada para registrar ondas no lineales que se propagan a lo largo del barreno y que se refractan hacia atrás en el pozo, con una penetración limitada sobre la formación rocosa circundante. La Patente de los Estados Unidos No. 7, 301,852 de Leggett, III et al., divulga el uso de un ensamblaje del fondo del pozo que tiene una disposición de transductores localizada en extremos opuestos del dispositivo para producir las señales que convergen en un ángulo, tal como lo informan Johnson et al (1987). Las señales de la mezcla no lineal en un ángulo son extremadamente débiles y difusas y no penetrarían profundamente en la formación rocosa circundante. A la luz de estos intentos anteriores, hay necesidad de una fuente de señal acústica que pueda producir energía de baja frecuencia desde el barreno en un ambiente subsuperficie. La US 5521882 divulga aparatos y métodos para determinar una indicación de una propiedad no lineal de una formación atravesada por un barreno, utilizando una herramienta acústica en el barreno. La GB2404983 divulga una herramienta de acceso acústico para desplegar en un barreno para generar señales acústicas de frecuencia baja direccionales para sondeo de pozos. La US 6009043 divulga un método para determinar la continuidad de formaciones en la tierra entre barrenos analizando la energía sísmica impartida a las formaciones.

Resumen

De acuerdo con un aspecto de la invención, se provee un método para generar un haz de energía acústica en una formación rocosa penetrada por un barreno. El método comprende la generación de una primera señal acústica en una primera frecuencia; la generación de una segunda señal acústica a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia, donde la primera señal acústica y la segunda señal acústica se generan mediante una disposición de transductores localizados dentro del barreno; transmisión de la primera y segunda señales acústicas a una porción acústicamente no lineal de la formación rocosa por fuera del barreno; combinar la primera y segunda señales acústicas mediante un proceso de mezclado de tres ondas para generar una tercera señal colimada en la formación rocosa, donde la tercera señal colimada se propaga a través de la formación rocosa en una misma dirección que la dirección inicial de la primera y segunda señales acústicas y tiene una segunda frecuencia igual a una diferencia de la primera y segunda señales acústicas y una amplitud que depende de una propiedad no lineal de la formación rocosa; recepción de la tercera señal en uno o más receptores después de que ha sido reflejada o dispersada como consecuencia de una falta de homogeneidad en la formación; y analizar la señal recibida para determinar la información acerca de la formación rocosa.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se provee un sistema para determinar información acerca de una formación rocosa penetrada por un barreno. El sistema comprende uno o más transductores configurados para generar una primera señal acústica a una primera frecuencia y generar una segunda señal acústica a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia; uno o más receptores en comunicación con el uno o más transductores, configurados los receptores para detectar a través de la formación rocosa una tercera señal que es el resultado de la interacción de la primera y segunda señales acústicas en la región de la formación rocosa por fuera del barreno, en donde la tercera señal es detectada después de pasar a través de una porción de la formación rocosa y un procesador programable con instrucciones de máquina ejecutables para analizar la señal recibida con el fin de determinar información acerca de la formación rocosa.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se provee un sistema para caracterizar una propiedad no lineal de una formación rocosa penetrada por un primer barreno. El sistema comprende uno o más transductores configurados para generar una primera señal acústica a una primera frecuencia y generar una segunda señal acústica a una

segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia, en donde la disposición está dispuesta en el primer barreno; uno o más receptores, dispuestos en un segundo barreno, y en comunicación con el uno o más transductores, configurados los receptores para detectar a través de la formación rocosa una tercera señal que es el resultado de la interacción de la primera y segunda señales acústicas en la región de la formación rocosa por fuera del primer barreno, en donde la tercera señal detectada se detecta después de viajar a través de una porción de la formación rocosa y reflejarse desde una no homogeneidad. Y un procesador programable con instrucciones de máquina ejecutables para analizar la señal recibida para determinar información acerca de la formación rocosa en la región de interacción no lineal entre el primero y segundo barrenos.

Estos y otros objetivos, rasgos y características de la presente invención, así como los métodos de operación y funciones de los elementos relacionados de la estructura y la combinación de partes y economías de manufactura, serán evidentes al considerar la siguiente descripción y las reivindicaciones anexas con referencia a los dibujos acompañantes, todos los cuales forman una parte de esta especificación, en donde los numerales de referencia similares designan partes correspondientes en las diversas figuras. Debe entenderse expresamente, sin embargo, que los dibujos tienen el propósito de ilustración y descripción solamente y que no se entienden como una definición de los límites de la invención. Tal como se utiliza en la especificación y en las reivindicaciones, la forma singular de “un”, “una” y “el/la” incluyen los referentes plurales a menos que el contexto claramente dicte otra cosa.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 en general muestra como ocurre el fenómeno de mezcla de tres ondas para ondas P en la presencia de un barreno, en el cual dos ondas incidentes en dos frecuencias diferentes, f1 y f2 se emiten en la formación, y, como resultado de las propiedades no lineales de las formación, llevan a la generación de una tercera onda con una frecuencia baja de f_ = f2 – f1.

La figura 2 muestra un diseño de prueba experimental dispuesto de acuerdo con un aspecto de la invención.

Las figura 3a, 3b y 3c muestran algunos resultados de la disposición del diseño de prueba experimental de la figura 2, ilustrando la señal de haz de 5kHZ clara coherente generada por la mezcla de dos haces primarios con frecuencias de 38 y 43 kHZ.

La figura 4 muestra la geometría de la fuente localizada en el barreno y la región de mezcla localizada por fuera del barreno donde se mezclan las señales de las fuentes.

La figura 5 es una ilustración esquemática de una disposición de transductores junto con la definición del desplazamiento de fase L< y el ángulo de giro 8.

La figura 6 es una ilustración esquemática que ilustra un ejemplo de cómo controlar el azimut y la inclinación del plano de la disposición que pueden alcanzarse por rotación alrededor del eje del barreno, y oscilación en un plano perpendicular al eje del barreno.

La figura 7 muestra la distribución de las fuentes del dispositivo de la disposición utilizado para la definición experimental en las figuras 2, 3, 4 y 8.

Las figuras 8a y 8b muestran los resultados experimentales obtenidos a partir de la distribución de fuentes en la disposición de transductores de la figura 7, mostrando que el haz de frecuencia con diferencia de 5kHZ puede ser girado girando los haces primarios. El círculo negro indica la posición de la disposición de transductores en el lado opuesto del bloque de arenisca. La figura 8b muestra como girar los resultados primarios en un haz girado en la frecuencia de diferencia.

La figura 9a y 9b muestran un aspecto de una realización utilizable para crear imágenes, incluyendo imágenes tridimensionales, alrededor del barreno.

La figura 10 muestra un aspecto de una realización para llevar a cabo una tomografía de pozo cruzada.

Las figuras 11a y 11b muestran un aspecto de una realización en donde la fuente en el primer barreno es movida axialmente y recibida en una pluralidad de localizaciones con un segundo barreno en una configuración diseñada para las propiedades de formación de pozo cruzado e interpretación del lecho.

La figura 12 muestra componentes del sistema para producir la tercera señal de acuerdo con una realización de la invención.

Descripción detallada

En una realización, se usa una disposición de transductores para generar un haz acústico en la formación rocosa no lineal alrededor del barreno a través de un fenómeno de mezclado de tres ondas mezclando dos señales acústicas primarias colimadas de frecuencia más alta, como se ilustra en la figura 1. Las dos señales acústicas primarias colimadas 110, 120 pueden generarse a lo largo de un amplio rango de frecuencias más altas mediante una disposición compacta puesto que las fuentes de frecuencia pueden encajar fácilmente dentro de una barreno 130. La no linealidad de la formación de rocas 140 alrededor del barreno lleva a la degeneración del haz acústico colimado 150, denominado comúnmente como haz de disposición paramétrico, que tiene una frecuencia igual a la

diferencia entre las señales acústicas primarias y con suficiente fuerza para propagarse a una distancia considerable dentro de la formación rocosa. Como se muestra, las fuentes de alta frecuencia están distribuidas en un plano paralelo al eje del barreno. Las fuentes primarias pueden ser de varios tipos, dependiendo de la aplicación, tales como una fuente de monopolo (esto es, radiación isotrópica) o una fuente dipolar (esto es, equivalente a fuerzas puntuales), o una colección de fuentes de monopolo apantalladas fijadas a la pared del barreno, o fijadas a una herramienta localizada dentro del barreno.

El comportamiento no lineal de una formación puede ser caracterizado a través del análisis de las propiedades de las ondas P resultantes del fenómeno de mezcla de tres ondas en el cual dos ondas incidentes en dos frecuencias diferentes, f1 y f2 se mezclan para generar componentes de tercera frecuencia en las armónicas y en las frecuencias de intermodulación f2 – f1, f2 + f1, 2f1 y 2f2, etc. En un aspecto de la invención, el fenómeno de mezcla colineal de tres ondas está diseñado para que se presente en la vecindad de una perforación de pozo. Solamente la tercera onda resultante de la frecuencia de diferencias f2 – f1 es de interés en esta solicitud. La tercera onda puede ser registrada por uno o más receptores localizados en la misma o en otra perforación de pozo. Esta disposición se ilustra en la figura 1 donde se muestra la generación de la tercera onda que tiene la frecuencia de diferencia producida por dos fuentes primarias. En el caso donde las fuentes primarias están dispuestas como unas fuentes apantalladas con monopolo, las fuentes están rígidamente apantalladas en el plano de la disposición y pueden estar en el contacto con la pared del barreno. Dentro de la disposición del transductor, algunas fuentes de transductores son impulsados a una frecuencia f1, mientras que otros son impulsados simultáneamente en otra frecuencia f2. Adyacente al pozo, se crea una onda de baja frecuencia (f_ = f2 – f1) por un mezclado no lineal de la formación en las dos primarias de alta frecuencia, � es el parámetro no lineal que caracteriza la relación no lineal entre la tensión y la distensión, por ejemplo, en una dimensión, aparece en la ecuación 0 = K£ (1 + �£ + ...), donde 0 es la tensión aplicada, K es el módulo de volumen y £ es la distensión. � típicamente varía de 200 a 1000 para rocas. El volumen en el cual la tercera onda se crea esta dado por V_ = na2LT, en donde a es un radio que abarca las fuentes y LT es una longitud relacionada con la atenuación de estas frecuencias. Debe notarse que la longitud de atenuación (o absorción) La, de una onda caracterizan un descenso a ll e de la amplitud, bien conocido por los versados en la técnica y está dada por

donde f es la frecuencia (HZ), Q es el factor de calidad y c es la velocidad de onda (m/s). LT es la longitud total de atenuación expresada como LT -1 = L1 -1 + L2-1 = 2L2-1.

La señal de frecuencia de diferencia se genera y propaga a partir del volumen V_, hasta un receptor o disposición de receptores en el mismo barreno por reflexión con interfaces con impedancia acústica contrastante, o por retrodispersión a partir de inhomogeneidades, o por transmisión a un segundo barreno. La propagación ocurre en un haz colimado, cuya anchura está determinada por k_LT, donde k es número de onda de la tercera onda: k_ = k2 – k1 = 2n(f2 – f1)) / c.

Otra longitud de interés es la de así denominada distancia Rayleigh, LR, que define el límite entre las regiones de campo cercano y campo lejano del haz:

donde k es el número de onda, esto es k = 2n fp /c y a es el radio de la fuente. La frecuencia fp se refiere a las primarias. La región de campo cercano corresponde a una distancia Lx menor que Lp. En esta región, el haz no cambia de tamaño. En la región de campo lejano, por ejemplo, para Lx > Lp, la amplitud del haz decae a medida que Lp / Lx decae también, el cual es el factor de dispersión de haces.

La figura 2 muestra un diseño de prueba experimental dispuesto de acuerdo con un aspecto de la invención. En la disposición, la dispersión de un bloque de arena Berea 210 fue de 1.8 m x 0.4 m x 0.4 m. Las fuentes individuales 220 que comprenden la disposición 230 tienen 2.5 cm de diámetro, dispuestos con un círculo de radio de 6 cm. La mitad de las fuentes fueron excitadas con una frecuencia f2 = 43 kHZ y la otra mitad con una frecuencia f1 = 38 kHZ. La tercera onda tenía entonces una frecuencia f_ = a 43 kHZ – 38 kHZ = 5 kHZ. Cada una de las fuentes 220 que tiene una frecuencia f1 son impulsadas por un generador de señales 240 que está configurado para generar una señal a una frecuencia f1 y un amplificador 250. De la misma forma cada una de las fuentes 220 que tienen una frecuencia f2 son impulsadas por un generador de señal 260 que está configurado para generar una señal a una frecuencia f2 y un amplificador 270. Los movimientos en la frecuencia de diferencia se detectan con un vibrómetro de láser 280 localizado en el lado opuesto del bloque de arenisca Berea 210, asegurándose de que no haya posible interferencia electrónica en la medición de la distensión.

Las figuras 3a, 3b y 3c son una serie de mapas de distensión a tres frecuencias para la fijación de la figura 2, correspondientes a las frecuencias primarias y a la frecuencia de diferencia, registradas con el vibrómetro láser 280. 5 En particular, la figura 3a muestra una señal primaria a 43 kHZ y la figura 3b muestra otra señal primaria a 38 kHZ. La figura 3c muestra la tercera señal de la frecuencia de 5 kHZ resultante del efecto del arreglo paramétrico de la mezcla no lineal de las dos primarias. Tal como se ve en la figura 3c, está tercera señal a heredado las propiedades colimadas de las primarias. Para el experimento de laboratorio, utilizando un factor de calidad de 50 y una velocidad de onda de 2000 m/s, la longitud de atenuación para las dos primarias es 0.37 m y 0.42 m (respectivamente para 43

10 kHZ y 38 kHZ), mientras que es 3.2 m para la tercera onda. La distancia de Rayleigh, con un radio de fuente de 6 cm, es sustancialmente igual a 0.2 m. Esto demuestra que las mediciones de distensión fueron hechas en una región cercana del campo.

La figura 4 muestra la geometría de la fuente localizada dentro de un barreno y la región de mezcla por fuera del barreno donde las señales de las fuentes son acopladas. La distensión del haz de diferencia (f2 – f1) y el efecto de 15 enfoque del haz depende de las fuerzas de las fuentes primarias f1 y f2, y de las propiedades no lineales de la formación rocosa que rodean el barreno y los números de onda de la frecuencia de la primera fuente y la diferencia resultante. En la figura 4, k1 y k2 son números de onda asociados con las frecuencias primarias f1 y f2 respectivamente. k_ es el número de onda asociado con la tercera onda de longitud (f2 – f1) generada por una mezcla no lineal en la formación. El ángulo 8 se cuenta desde la horizontal que corresponde 8 = 0 y corresponde a la

20 dirección del azimut relativa al barreno. Las fuentes primarias se consideran distribuidas en un círculo de radio a.

La ecuación sin dimensiones para el campo de distensión en el barreno receptor asociado con la tercera onda, se denotaba por £_, puede determinarse a partir de

25 donde es el parámetro no lineal de la formación, c es igual a k_L, donde k_ = k2 – k1 y L es la separación del barreno. £1 y £2 son las distensiones en las frecuencias f1 y f2 respectivamente. Las funciones DA y DW (del ángulo 8 medido a partir del eje del haz) son directivas que surgen de la anchura finita a, y longitud LT de la respectiva fuente. La directividad de DA está dada por:

donde J1 es la función Bessel de orden 1 con DA(0) = 1. La directividad DW debida a Westervelt) está dada por:

Usualmente, Lfuente es la longitud de atenuación LT de tal manera que

Nótese que la similitud entre DA, DW (0) = 1, (a saber el factor de directividad es un máximo sobre el eje de los haces).

La figura 5 muestra una disposición esquemática a lo largo de la definición de la línea de desplazamiento de fase L< y el ángulo de giro 8:

donde w es la frecuencia de la primaria, de f1 o f2 y es donde va a almacenar, d es la distancia entre las fuentes y c es la velocidad de las ondas P de la formación. En la ilustración, las fuentes primarias que tienen la frecuencia de f1 y f2 alternan a lo largo del eje x y el ángulo de rotación 8 se mide por fuera del eje z y hacia el eje x, donde el eje x y el eje z son mutuamente perpendiculares.

En algunas realizaciones, la dirección del haz es orientada por el control selectivo del azimut de la disposición por rotación alrededor del eje de herramienta, y la inclinación, el ángulo entre el plano del frente de la disposición y el eje de herramienta. Los ejes correspondientes de rotación se ilustran en la figura 6. Mediante el uso de actuadores (no mostrados) el plano de la disposición puede controlarse efectivamente en azimut e inclinación. Los actuadores pueden ser utilizados así para direccionar o cambiar la dirección de las frecuencias primarias f1 y f2.

En algunas realizaciones, la inclinación de las señales primarias f1 y f2 se logran mediante el control de la fase relativa de algunos de los elementos en la disposición de fuente, anotando que la tercera señal con la formación heredará la dirección de las primarias. Un ejemplo de tal control realizado en el laboratorio se muestra en la figura 7. A manera de un ejemplo no limitante, la disposición usada en el laboratorio se divide en cinco regiones o varias disposiciones denominadas como “columna”. En la columna 1, se muestran dos transductores marcados ambos como “1” que se configuran para producir una frecuencia de f1 sin ningún retardo de fase. En la columna 2, se muestran cuatro transductores en donde los transductores marcados como “2” se configuran para producir una frecuencia f1 que ha sido compensada por una fase L< y los transductores marcados como “3” se configuran para producir una frecuencia f2 que tienen una compensación de fase cero. En la columna 3, se muestran cinco transductores en donde los transductores marcados como “4” se configuran para producir la frecuencia f1 habiendo sido compensada por una fase de 2L< y los transductores marcados como “5” se configuran para producir una frecuencia f2 habiendo sido compensada por una fase de L1 L<. En la columna 4, se muestran cuatro transductores en donde los transductores marcados como “6” se configuran para producir la frecuencia f1 habiendo sido compensada por una fase de 3L< y los transductores marcados como “7” se configuran para producir una frecuencia f2 habiendo sido compensada por una fase de 2L<. En la columna 5, se muestran dos transductores en donde los transductores marcados como “8” se configuran para producir una frecuencia f2 habiendo sido compensada por una fase de 3L<. En la demostración de laboratorio, la diferencia de fase entre cada una de estas “columnas” escogidas para direccionar los 15 grados primarios desde la perpendicular hasta el plano de los transductores. En este ejemplo no limitante, los transductores fueron enlazados al bloque de arenisca como se muestra en la figura 2. Otras configuraciones también son posibles sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, pueden utilizarse más

o menos transductores, los transductores pueden ser dispuestos en patrones alternativos, y la fase relativa de la señales puede diferir considerablemente del ejemplo descrito, en tanto las diferencias de fase entre las señales acústicas primarias den como resultado el direccionamiento o control de su dirección de propagación.

La figura 8a muestra los resultados experimentales obtenidos sin direccionamiento (en cuyo caso no se aplica desplazamiento de fase entre las “columnas”), mientras que la figura 8b muestra los resultados cuando se aplica el direccionamiento para la configuración mostrada en la figura 7. Como se muestra en la figura 8a, un conjunto de transductores que operan a una frecuencia de 60 kHZ y un segundo conjunto que opera a 65 kHZ, ninguno de los cuales tiene ninguna compensación de fase aplicada a sus transductores respectivos, produce una tercera señal con una frecuencia de f2 – f1 = 5 kHZ que se enfoca según se indica con el círculo. En contraste, cuando se aplica direccionamiento utilizando la fase de control descrita en relación con la figura 7, la localización de cada una de la primera y segunda frecuencias, así como, la señal de diferencia, son compensadas desde el centro de la disposición sobre la cara opuesta del bloque de arenisca indicado por el círculo en la figura.

En algunas realizaciones, la tercera señal se codifica con un código que varia con el tiempo, el cual puede ser introducido bien sea en la primera o segunda señal o, ambas. El código variable en el tiempo puede incluir una o más de una variación en amplitud, una variación en frecuencia, y/o una variación en fase de la primera, la segunda o tanto la primera como la segunda señales. El código variable en el tiempo recibido de la tercera señal puede ser

utilizado para medir un tiempo de vuelo de la tercera señal. Adicionalmente, en algunas realizaciones, el haz de diferencia colimado puede ser de banda ancha si una de las frecuencias primarias es barrida a través de un rango de frecuencias mientras que la otra se fija sobre una frecuencia particular. Así, el tercer haz resultante f2 – f1 será barrido a través de un rango de frecuencia amplia.

Las figuras 9a y 9b muestran un aspecto de la invención utilizado para crear imágenes, incluyendo imágenes tridimensionales alrededor del barreno. El haz de diferencia colimado (f2 – f1) generado por el método descrito en esta invención es adecuado para crear una imagen de la formación rocosa alrededor de la perforación del pozo. El haz de diferencia puede ser buscado en una dirección particular para investigar una región particular de la formación rocosa. Las inhomogeneidades de las formaciones localizadas a lo largo del haz generaran reflexión, lineal o dispersa de las ondas sísmicas. Las ondas reflejadas y dispersas se registran mediante disposiciones de receptores en el mismo barreno (para el caso de imágenes de un pozo individual). Las figuras 9a y 9b ilustran ejemplos de las muchas posibles configuraciones de mediciones y herramientas.

En la figura 9a, se dispone un arreglo de transductores en una disposición circular 905 con un barreno 910. Las dos frecuencias primarias f1 y f2 son producidas por el arreglo y se mezclan en una región no lineal por fuera de la perforación del pozo 925 para producir la diferencia de frecuencias f3. El haz de diferencia de frecuencias se refleja o se dispersa a partir de un lecho adyacente u otro cuerpo y este haz reflejado 930 es recibido por los receptores 915 en el barreno 910. La disposición del arreglo circular 905 que incluye los receptores 915 puede moverse hacia arriba y hacia abajo a lo largo de la longitud del barreno para formar una imagen de una formación particular cerca del barreno. Además, la disposición puede ser rotada alrededor del eje del barreno para la formación de imágenes en cualquier dirección alrededor del barreno. La figura 9b muestra una configuración lineal alternativa 920. La figura 9b es similar a la figura 9a, pero muestra una disposición lineal configurada a lo largo del eje del barreno. La disposición puede ser rotada alrededor del eje de herramienta para lograr la generación de imágenes de las formaciones alrededor del barreno.

Los registros de las formas de ondas recibidas se procesan para generar una imagen de las características de reflexión o transmisión de la formación. La directividad del haz y el tiempo de vuelo pueden fijar las localizaciones donde se generan las ondas dispersas, distinguiendo este dispositivo de las técnicas de imágenes sónicas normales utilizando fuentes monopolares y dipolares no direccionales convencionales. Un efecto asociado de utilizar un haz en comparación con las fuentes convencionales es que la computación de una imagen de las propiedades acústicas de la formación puede no requerir una especificación detallada de un campo de velocidad para la formación rocosa. La medición de la directividad del haz y del tiempo simplifica y mejoran la capacidad para identificar la localización donde las ondas son reflejadas o dispersadas. En particular, la directividad de la fuente del haz de la disposición localiza las fuentes de ondas dispersadas registradas a lo largo de la dirección del haz y el retardo en tiempo localiza la posición de la fuente dispersa dada a lo largo de la ruta del haz. Así las imágenes del barreno con una fuente de haces presenta una simplificación y reducción en la incertidumbre de la imagen final en contraste con las fuentes convencionales (no haces) que requieren un modelo de velocidad detallado exacto para enfocar la computación en la imagen de 3D. Adicionalmente, puesto que el haz está enfocado y es direccionable, el haz de la disposición tiene una directividad en azimut e inclinación con respecto al barreno, y en la generación de imágenes tendería a tener una mayor resolución que una fuente convencional con poca directividad y consecuentemente con ambigüedad con respecto al origen de la reflexión. La frecuencia del haz de diferencia anticipada para la invención varía desde 500Hz hasta 10kHz. La parte de frecuencia baja del rango esta en el extremo muy inferior del rango utilizado por las herramientas de sondeo sónicas convencionales, lo que implica una mayor profundidad de penetración, hasta varios cientos de pies, debido a la menor atenuación. Es importante anotar que, puesto que el haz está siendo generado en la formación por fuera del barreno, este mecanismo de generación de haces de baja frecuencia no lleva a la generación de modos de barreno, tal como la onda Stoneley, que captura una parte grande de la energía generada en el barreno por fuentes convencionales. Además, la retrodispersión de la energía acústica puede ser utilizada para generar imágenes alrededor del barreno por rotación en azimut e inclinación, y el movimiento lineal de la disposición 920 a lo largo del barreno.

La figura 10 muestra un aspecto de la invención para ejecutar una tomografía cruzada de pozo. El rango de frecuencia de 500Hz a 10kHz, con un rango de investigación de varios cientos de pies desde el barreno, puede aplicarse en una imagen de pozo cruzado y una aplicación de tomografía. Adicionalmente, la naturaleza del haz de la fuente permite distinguir metodologías de procesamiento para imágenes en pozo cruzado y tomografía en pozo cruzado que difieren de las metodologías que utilizan fuentes no enfocadas. En este aspecto, la fuente de haces 1010 se genera a partir del barreno 1020 y se detecta con los sectores 1030, 1040, 1050 en un segundo barreno 1060. En una tomografía de pozo cruzado, los tiempos de viaje y las amplitudes de las llegadas de dirección entre diversas fuentes y receptores entre los pozos se procesan con varios métodos de inversión de tomografía para obtener una sección transversal de velocidad y fuerza de atenuación de la formación rocosa entre los pozos. Con una fuente de haces paramétricos direccionable, el haz puede ser barrido y detectado por una disposición de detectores Y1, Y2, Y3, etc. en el segundo barreno. En esta configuración, la señal máxima barrería sistemáticamente de forma secuencial a través de los receptores haciendo que la detección de la llegada directa sea más fácil y más robusta.

Las figuras 11a y 11b muestran un aspecto de la invención donde la fuente en el primer barreno se mueve axialmente y se recibe en una pluralidad de localizaciones dentro de un segundo barreno. En este aspecto, la fuente

de haces de disposición paramétrica generada por la mezcla dentro de las rocas alrededor del barreno puede configurarse en herramientas para medir y crear un sondeo de las propiedades no lineales de la región de la perforación del pozo cercana donde ocurre la mezcla de tres ondas. En esta configuración, el haz de disposición paramétrico se genera a partir de una localización X1 en un barreno y se direcciona hacia muchos receptores en la localización Yi en un segundo barreno. Sea M (Xi, Yi) la señal medida. La fuente se mueve hacia arriba del agujero hasta una localización X2 y se recolectan datos similares para dar una señal medida de M (X2, Yi). A partir de la ecuación (4), es evidente que la suma en muchos Yi de la relación M (X1, Yi) / M (X2, Yi) seria proporcional a la relación (X1) / (X2), donde son propiedades no lineales dentro de una distancia de mezcla (unos pocos pies) del barreno fuente. Repitiendo las mediciones en muchas localizaciones Xi, puede obtenerse un sondeo de fuerzas reactivas de propiedades no lineales cercanas al barreno fuente y dentro de un intervalo de profundidad escogido a partir de la ecuación (4) como un promedio sopesado de una relación de señal tal como la fórmula

Se entiende que la relación anterior se aplica a la señal cuya frecuencia dominante es la frecuencia de diferencias, esto es (f2 – f1). Otra medición relativa de la no linealidad de la formación cerca al barreno puede hacerse tomando la relación de amplitud de la señal recibida en la frecuencia (f2 – f1) a la emitida en esa fuente.

Si hay reflexiones fuertes rodeando un barreno, la fuente puede ser configurada en herramientas para medir y crear un sondeo de propiedades no lineales muy cercano al barreno. Debido a la distribución estadística de las fuerzas de reflexión de la tierra, la respuesta de reflectividad de la tierra seria una función que varia lentamente de la localización de la fuente mientras que las propiedades no lineales de la roca justo alrededor del barreno variarían más rápidamente con respecto a la localización de la fuente. Por lo tanto, utilizando un pozo sencillo, puede generarse también un sondeo de frecuencia espacial de la función utilizando la ecuación (9).

La figura 12 muestra componentes del sistema para producir la tercera señal. Un primer generador 1210 configurado para generar una primera señal acústica a una frecuencia f1 y un segundo generador 1215 configurado para generar una segunda señal acústica a una frecuencia f2 se acoplan a un ensamblaje transductor 1220 dispuesto dentro de un barreno. Un sistema de control de direccionamiento del haz 1225 y un mecanismo de control del azimut y la inclinación del haz 1230 se acoplan al ensamblaje transductor 1220 y se configuran para direccionar la primera, la segunda y/o tanto la primera como la segunda señales. El mecanismo de control de azimut e inclinación 1230 puede ser configurado para direccionar bien sea modulando la fase de la primera, la segunda y/o tanto la primera como la segunda señales o los actuadores de activación del ensamblaje transductor para efectuar el control de los haces. Un ensamblaje receptor 1235 puede localizarse bien sea en el barreno que contiene el ensamblaje transductor 1220 o en otro barreno. El ensamblaje receptor 1235 incluye uno o más receptores configurados para recibir la tercera señal. La tercera señal recibida puede ser almacenada en un registrador de datos originales 1240 y procesarse utilizando un procesador de señales 1245. Los datos procesados pueden ser almacenados y mostrados por un ordenador 1250. El ensamblaje receptor puede ser conectado al registrador de datos 1240 y el procesador de señales 1245 a través de una conexión alámbrica o inalámbrica. El ordenador 1250 puede incluir instrucciones legibles por máquina configuradas para procesar y manipular los datos procesados como será evidente.

Aunque la invención ha sido descrita en detalle para propósitos de ilustración con base en lo que se considera actualmente como las realizaciones más prácticas y preferidas, se entiende que tal detalle es solamente para ese propósito y que la invención no se limita a las realizaciones divulgadas, sino que, por el contario, se entiende con el alcance de las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, aunque se hace referencia aquí a un ordenador, este puede incluir un ordenador de propósitos generales, un ordenador construido para este propósito, un ASIC que incluye instrucciones ejecutables por máquina y programado para ejecutar los métodos, una disposición o red de ordenadores, u otro dispositivo de computación apropiado. Como se muestra en la figura 12, los datos recolectados por los receptores sufrirán algún procesamiento y se almacenan bien sea en la memoria de la herramienta, o se transmiten perforación arriba para procesamiento y almacenamiento posterior. Se limita el alcance de acuerdo con la redacción de las reivindicaciones anexas.

Claims (19)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un método para generar un haz de energía acústica en formaciones rocosas penetradas por un barreno, comprendiendo el método:

   generar una primera señal acústica (110) a una primera frecuencia (f1);

   generar una segunda señal acústica (120) a una segunda frecuencia (f2) diferente de la primera frecuencia, donde la primera señal acústica y la segunda señal acústica son generadas por una disposición (230, 905, 920) de transductores (220) localizada dentro del barreno (130, 910, 1020), donde la primera señal acústica y la segunda señal acústica son colineales y producen, por mezcla colineal un haz acústico colimado (150) en la formación rocosa;

   recibir en uno o más receptores (915), a través de la formación rocosa, una señal recibida que resulta de la interacción del haz acústico colimado con una inhomogeneidad de la formación rocosa a medida que el haz acústico colimado se propaga a través de la formación rocosa; y

   analizar la señal recibida para determinar la información acerca de la formación rocosa.

2. 2.

   Un método de acuerdo con la reivindicación 1, donde el uno o más receptores están localizados en otro barreno (1060).

3. 3.

   Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la señal recibida es recibida por uno o más receptores por transmisión, reflexión y retrodispersión.

4. 4.

   Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el uno o más receptores están localizados en el mismo barreno (910).

5. 5.

   Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente hacer rotar la disposición (905, 920) de transductores alrededor de un eje del barreno con el fin de controlar un azimut de la primera (110) y la segunda (120) señales acústicas.

6. 6.

   Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:

   controlar una inclinación del haz acústico colimado (150) en un plano que pasa a través del eje del barreno (130, 910, 1020).

7. 7.

   Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el control comprende introducir un control de una fase relativa entre al menos dos de los transductores en la disposición.

8. 8.

   Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el control comprende el uso de uno o más actuadores para cambiar la inclinación de la disposición.

9. 9.

   Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:

   controlar el azimut y una inclinación del haz acústico colimado (150) con respecto al barreno.

10. 10.

    Un método de acuerdo con la reivindicación 1, 7, 8 o 9, donde el análisis comprende adicionalmente procesar la señal recibida para generar una imagen de la formación rocosa.

11. 11.

    Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:

    codificar el haz acústico colimado (150) con un código variable con el tiempo introduciendo un componente variable con el tiempo que incluye uno o más barridos de chirrido o frecuencia a una de la primera (110) y la segunda (120) señales acústicas,

    donde el análisis comprende utilizar la codificación para medir un tiempo de vuelo de la señal recibida.

12. 12.

    Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en donde los componentes variables con el tiempo comprenden una variación en amplitud, frecuencia y/o fase.

13. 13.

    Un método de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, que comprende adicionalmente:

    utilizar la retroalimentación desde el uno o más receptores (915) para orientar la primera (110) y segunda (120) señales acústicas combinadas para maximizar una fuerza de señal de la señal recibida.

14. 14.

    Un método de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende adicionalmente generar una medición de las propiedades no lineales de la formación rocosa próxima al barreno (130, 910, 1020), de acuerdo con (X1) / (X2) que es igual al producto de � ((señal medida (X1, Yi)) (señal medida X2, Yi))) y un factor de ponderación para Yi para todo los i, donde X1 es una primera localización generadora dentro de un primer barreno, X2 es una segunda localización generadora dentro del primer barreno, y Yi es una localización receptora ia dentro de un segundo barreno para determinar las fuerzas relativas de una formación no lineal alrededor del primer barreno.

15. 15.

    Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el haz acústico colimado (150) tiene una directividad bien definida tanto en la dirección de un azimut como de inclinación.

16. 16.

    Un sistema para determinar la información alrededor de una formación rocosa penetrada por un barreno (130, 910, 1020) comprendiendo el sistema:

    5 uno o más transductores (220) configurados para generar una primera señal acústica (110) a una primera frecuencia (f1) y generar una segunda señal acústica (120) a una segunda frecuencia (f2) diferente de la primera frecuencia y dispuesta para producir, por una mezcla colineal entre la primera señal acústica y la segunda señal acústica, un haz acústico colimado (150) en la formación rocosa;

    uno o más receptores (915) configurados para detectar a través de la formación rocosa una señal recibida que

    10 proviene de la interacción del haz acústico colimado (150) con una inhomogeneidad en la formación rocosa a medida que el haz acústico colimado se propaga a través de la formación rocosa; y

    un procesador (1245) programable con instrucciones ejecutables por máquina para analizar la señal recibida para determinar información acerca de la formación rocosa.
17. 17. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 16, para caracterizar una propiedad no lineal de dicha formación 15 rocosa, en donde:

    el uno o más receptores (915) están dispuestos en un segundo barreno (1060); y

    el procesador (1245) determina información acerca de la formación rocosa entre el barreno (1020) y el segundo barreno (1060).
18. 18. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 16 o 17, donde el uno o más transductores (220) están configurados 20 en una disposición (230, 905, 920).
19. 19. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 16 o 17, en donde el procesador (1245) es programable adicionalmente con instrucciones ejecutables por máquina para producir una imagen de la formación rocosa.