ITMI942526A1 - Metodo per la misura della velocita' di propagazione di onde acustiche ultrasonore attraverso frammenti di roccia - Google Patents
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Abstract
La presente invenzione riguarda un metodo per la misura della velocità di propagazione di onde acustiche ultrasonore compressionali e di taglio attraverso frammenti di roccia, direttamente provenienti dalla perforazione di pozzi petroliferi e di dimensioni anche inferiori al centimetro di diametro, comprendente il far attraversare il frammento di interesse da dette onde acustiche e nel misurarne il tempo di transito, previo inserimento del frammento in questione fra due appositi trasduttori piezoelettrici.
Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un metodo per la misura della velocità di propagazione di onde acustiche ultrasonore compressionali e di taglio attraverso frammenti di roccia/ direttamente provenienti dalla perforazione di pozzi petroliferi e di dimensioni anche inferiori al centimetro di diametro, comprendente il far attraversare il frammento di interesse da dette onde acustiche e nel misurarne il tempo di transito attraverso il frammento stesso, posto all'interno di un sistema costituito da una coppia di trasduttori piezoelettrici.
Tale metodo estende le potenzialità della tecnica comunemente impiegata in laboratorio per misure di velocità di pròpagazione di onde ultrasonore su carota, a misure sui frammenti di roccia che arrivano in superficie durante la perforazione.
Per affrontare con successo i problemi connessi alla perforazione di un pozzo petrolifero (stabilità di foro, produzione di sabbia o subsidenza), é importante poter caratterizzare meccanicamente le formazioni rocciose attraversate durante la perforazione.
Fino ad oggi questo era possibile eseguendo prove geomeccaniche in laboratorio su campioni provenienti da carote prelevate in pozzo; purtroppo i risultati di queste determinazioni sono legati ai tempi e ai costi delle operazioni di carotaggio, nonché ai soli livelli di roccia da cui le carote sono prelevate.
Tra le misure che si effettuano in laboratorio sui campioni di roccia prelevati da carote, figura la misura di velocità delle onde acustiche ultrasonore compressionali e di taglio, utilizzando la tecnica Pulse Velocity (secondo lo standard ASTM D2845-90) che permette, nell'ambito della teoria dell'elasticità lineare, di calcolare i moduli di elasticità, correiabili direttamente con la resistenza meccanica delle formazioni rocciose da cui le carote provengono.
Solitamente per poter disporre di tali valori per tutta la lunghezza del pozzo, terminata la perforazione, vengono registrati i log sonici, intendendo con questo temine la determinazione dei tempi di transito delle onde acustiche tramite una sonda calata all'interno del pozzo stesso; in questo modo non é però possibile intervenire in tempo reale sulle strategie di perforazione.
Per ovviare agli inconvenienti fino ad ora descritti, la Richiedente ha realizzato che è possibile conseguire gli scopi suddetti mediante analisi dei frammenti di roccia (successivamente denominati "cuttings") prodotti durante la perforazione e raccolti in superficie, inquadrandone poi i risultati nell'ambito di un programma integrato di raccolta dati su campo quali analisi geologico-mineralogìche di cantiere e misure di indentazione.
In particolare il metodo, oggetto della presente invenzione, risulta determinante in quanto fornisce informazioni in tempo reale sulla natura degli strati di roccia che si stanno attraversando, consentendo di intervenire in modo incisivo durante la perforazione.
La conoscenza della velocità di propagazione delle onde acustiche ultrasonore compressionali e di taglio risulta inoltre di particolare importanza nella taratura e nel confronto con i dati provenienti dalle campagne sismiche e dalle registrazioni log soniche a fini prevalentemente esplorativi.
Costituisce pertanto oggetto della presente invenzione un metodo per la misura della velocità di propagazione di onde acustiche ultrasonore compressionali e di taglio attraverso frammenti di roccia, direttamente provenienti dalla perforazione di pozzi petroliferi e di dimensioni anche inferiori al centimetro di diametro, comprendente il far attraversare il frammento di interesse da dette onde acustiche e nel misurarne il tempo di transito, previo inserimento del frammento stesso in un particolare sistema di trasduttori piezoelettrici.
In particolare il metodo utilizza un generatore di impulsi necessario per produrre un segnale elettrico che permette al trasduttore emettitore di generare una perturbazione ultrasonora compressionale o di taglio a seconda del tipo di trasduttore impiegato.
Particolare cura è stata posta nella scelta dei fluidi di accoppiamento tra i trasduttori ed il frammento o cutting; detti fluidi sono caratterizzati da valori di viscosità compresi fra 200 e 800 poise misurati con un gradiente di velocità di taglio di 3.1 s<-1 >(standard American Petroleum Institute 13 B-l).
L'onda ultrasonora attraversa il campione e viene convertita in segnale elettrico dal trasduttore in ricezione; il segnale elettrico ricevuto viene poi visualizzato tramite un oscilloscopio digitale il quale, tenuto conto del ritardo proprio dei trasduttori e del circuito, consente la determinazione del tempo di transito della perturbazione ultrasonora attraverso il cutting.
Noto lo spessore del cutting è così possibile determinare la velocità di propagazione delle onde ultrasonore compressionali o di taglio.
Il vantaggio del metodo oggetto della presente invenzione consiste nell'estensione delle potenzialità della tecnica Pulse Velocity, impiegata in laboratorio per misure di velocità di propagazione di onde ultrasonore su carota (ad esempio campioni cilindrici di 2.5 cm di diametro ed altezza doppia), a misure su frammenti di roccia anche di dimensioni inferiori al centimetro che arrivano in superficie durante la perforazione.
Tale estensione della metodica è stata possibile grazie all'impiego di particolari trasduttori piezoelettrici, alla scelta della forma degli impulsi di emissione da determinarsi in funzione delle caratteristiche dei cristalli piezoelettrici stessi, alla selezione delle frequenze di propagazione e all'individuazione dei fluidi necessari per l'accoppiamento meccanico tra cutting e trasduttori tali da ottimizzare la trasmissione dell'onda ultrasonora.
In ultima analisi il presente metodo integra e migliora, in maniera del tutto inaspettata, le applicazioni note ed é uno strumento industrialmente impiegabile per una campagna di misura in cantiere.
A fini semplicemente esemplificativi e senza che l'invenzione debba per ciò intendersi limitata, si ricorda che l'apparato sperimentale impiegato dalla Richiedente per il metodo, oggetto della presente invenzione, é costituito da:
- generatore di impulsi con durata variabile tra 1 μs e 20 μs; - coppia di trasduttori piezoelettrici in grado di generare onde ultrasonore compressionali, altamente smorzati e con larghezza di banda del 100% o, in alternativa, coppia di trasduttori piezoelettrici in grado di generare onde ultrasonore di taglio, altamente smorzati e con larghezza di banda del 100%; - oscilloscopio digitale con una risoluzione minima di 10<-2>μs.
Se il fenomeno di attenuazione dei materiali fosse particolarmente elevato, tanto da non consentire la rilevazione dei segnali tramite il solo oscilloscopio, si potrebbe prevedere l’impiego di un amplificatore a guadagno variabile.
I trasduttori scelti, caratterizzati da uno smorzamento molto elevato ed una estrema selettività nella polarizzazione, consentono di realizzare misure anche su cuttings dalle dimensioni molto ridotte senza effetto bordo, riflessioni multiple ed in particolare, per quel che concerne le onde di taglio, gli effetti dovuti alla conversione di modo risultano pressoché assenti dato che l'elevata selettività dei trasduttori fa sì che la componente compressionale generata dalle onde di taglio per effetto delle discontinuità incontrate durante la propagazione non vada a sovrapporsi alla perturbazione di taglio stessa.
In conclusione, i vantaggi del metodo, oggetto della presente invenzione, possono essere così riassunti:
- misura della velocità di propagazione di onde ultrasonore compressionali e di taglio attraverso cuttings e calcolo sia del relativo tempo di transito che dei moduli elastici;
- strumento industrialmente impiegabile per una campagna di misura in cantiere;
- semplicità e velocità nell'esecuzione delle prove fino a 10-12 determinazioni su cutting in un'ora da parte di un solo operatore, inclusi i tempi di preparazione dei campioni, la misura della velocità di propagazione e l'elaborazione dei dati;
buona riproducibilità della misura ed assenza dell'effetto scala su campioni omogenei di diverse dimensioni;
- dimensione dei cuttings anche inferiore al diametro dei trasduttori, che non è quindi vincolante per l'impiego della metodica oggetto della presente invenzione;
- deve essere assicurato il parallelismo delle superfici dei cuttings a contatto con i trasduttori solamente per garantire una corretta misura della lunghezza dei campioni;
- la metodologia si è dimostrata impiegabile anche per campioni caratterizzati da un raggio dei pori medio superiore a 50 μm;
- assolutamente innovativa risulta inoltre la determinazione su cuttings di entrambe le velocità di propagazione di onde ultrasonore (compressionali e di taglio) in quanto consente, nell'ambito della teoria dell'elasticità lineare, di caratterizzare meccanicamente il materiale e di calcolarne quindi i moduli elastici (Young, Bulk, Shear e Poisson) ed in particolare applicare modelli semiempirici (quali ad esempio Coates & Denoo o Deree & Miller) per determinare la resistenza meccanica.
L'estrema compattezza, economicità e trasportabilità dell'apparato sperimentale necessario per l'esecuzione delle prove, nonché la possibilità di impiegare cuttings di roccia dalle dimensioni estremamente ridotte, fanno sì che detto metodo possa essere impiegato con successo direttamente in cantiere, durante le operazioni di perforazione, costituendo una fonte di informazioni 'while drilling'.
L'esempio sperimentale che segue é riportato ancora a titolo illustrativo ma non limitativo della presente invenzione.
ESEMPIO 1
Al fine di verificare l'attendibilità della metodologia e la dipendenza della misura dalla dimensione dei campioni, sono state selezionate carote di 6 diverse litologie su cui sono stati misurate le velocità delle onde compressionali e di taglio con la metodologia Pulse Velocity (da considerarsi come valori di riferimento).
Da ciascuna carota sono stati prodotti, mediante macinazione, 3 cuttings di dimensioni differenti.
Ogni cutting è stato levigato con due facce piane e parallele mediante una mola diamantata e ne è stato misurato lo spessore {tolleranza 0.01 mm).
L'apparecchiatura utilizzata è costituita da: il trasduttore emettitore collegato con un generatore di impulsi, un sottile strato di fluido accoppiante con viscosità di 420 porse misurato con un gradiente di velocità di taglio di 3.1 s<-1>, il cutting precedentemente preparato, un ulteriore strato di fluido ed il trasduttore ricevitore, collegato all'oscilloscopio.
L'impulso elettrico prodotto dal generatore eccita il trasduttore emettitore che trasmette un'onda ultrasonora (compressionale o di taglio a seconda del trasduttore impiegato) attraverso il cutting.
Il trasduttore in ricezione converte la perturbazione acustica in impulso elettrico, il quale viene poi visualizzato sull'oscilloscopio.
E' così possibile, tenuto conto del ritardo proprio dei trasduttori e del circuito, determinare il tempo di transito della perturbazione ultrasonora attraverso il cutting.
Noto lo spessore del cutting, si determina la velocità di propagazione delle onde ultrasonore compressionali o di taglio .
Le prove preliminari condotte in laboratorio su cuttings prodotti da carote, hanno dimostrato la buona riproducibilità della misura e l'assenza di effetti scala per campioni omogenei .
In particolare in Tabella 1, sono presentati i risultati relativi alle misure di velocità delle onde compressionali (Vp) e di taglio (Vs) condotti sulle 6 diverse litologie selezionate, per ciascuna delle quali sono indicati: il valore di riferimento misurato su carota con il metodo Pulse Velocity (rif.) e 3 misure condotte con il metodo oggetto della presente invenzione, su cuttings di dimensioni differenti (G> 10 mm, M~ 5 mm, P< 3 mm) in modo da evidenziarne gli effetti scala e nelle Figure 1, 2 e 3 tali valori sono rappresentati graficamente .
Va sottolineato come, nel caso della Dolomia, le differenze evidenziate dai valori di velocità siano dovuti alla presenza di fratture presenti soltanto nella carota e non nei cuttings.
TABELLA 1
Claims (4)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la misura della velocità di propagazione di onde acustiche ultrasonore attraverso frammenti di roccia, direttamente provenienti dalla perforazione di pozzi petroliferi e di dimensioni anche inferiori al centimetro di diametro, comprendente il far attraversare il frammento di interesse da dette onde acustiche e nel misurarne il tempo di transito, previa introduzione del frammento stesso in un sistema costituito da una coppia di trasduttori piezoelettrici.
- 2. Metodo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le onde acustiche ultrasonore possono essere compressionali o di taglio.
- 3. Metodo per la misura della velocità di propagazione di onde acustiche ultrasonore attraverso frammenti di roccia, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere realizzato per il tramite di un 'apparecchiatura comprendente: - un generatore di impulsi con durata variabile tra 1 ps e 20 ps; - una coppia di trasduttori piezoelettrici; - un oscilloscopio digitale con una risoluzione di almeno 10<-2 >ps.
- 4. Metodo per la misura della velocità di propagazione di onde acustiche ultrasonore attraverso frammenti di roccia secondo le rivendicazioni 1 e 3, caratterizzato dal fatto che tra i trasduttori ed il cutting viene posto un fluido di accoppiamento avente valori di viscosità compresi fra 200 e 800 poise misurati con un gradiente di velocità di taglio di 3.1 s<-1 >(standard American Petroleum Institute 13 B-1).
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 0001 | Granted |