ITTO20110036A1 - "procedimento di ispezione di un foro di pozzo cementato e relativo sistema" - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

"Procedimento di ispezione di un foro di pozzo cementato e relativo sistema"

TESTO DELIA DESCRIZIONE

Campo dell'invenzione

La presente invenzione riguarda un procedimento di ispezione di un foro di pozzo cementato, comprendente le operazioni di emettere una sequenza di onde ultrasoniche, applicando un segnale di eccitazione a un dispositivo emettitore di ultrasuoni, all'interno di detto foro, ad almeno una data profondità lungo detto foro, e ricevere una sequenza di onde ultrasoniche, conseguentemente propagatesi in detto foro, tramite un ricevitore di ultrasuoni disposto all'interno di detto foro, acquisendo un relativo segnale ricevuto, analizzare detto segnale ricevuto per calcolare parametri rappresentativi della propagazione di detta sequenza di onde ultrasoniche ricevuta all'interno di detto foro a detta profondità, valutare la presenza di difetti a detta profondità in funzione di valori assunti da detti parametri rappresentativi della propagazione di dette onde ultrasoniche all'interno di detto foro.

Problema tecnico generale

Attualmente la cementazione di un pozzo di piccolo diametro o di un sondaggio non può essere verificata con tecniche tradizionali ne dirette ne indirette, ad eccezione di ispezioni di tipo visivo, che permettono di verificare solo la parte interna del foro del pozzo e soprattutto solo nel caso che esso non sia rivestito. Sono noti sistemi utilizzati in campo petrolifero a tali scopi, ma i costi e le dimensioni delle attrezzature non sono tali da poter essere utilizzati in contesti legati ad opere di semplice ingegneria civile. Lo schema che si utilizza comunemente per assicurare la buona cementazione dell'opera è quello di pompare il cemento dal basso, ossia dal fondo del foro, fino a quando questo fuoriesce a bocca pozzo in superficie. Tale modo di procedere però non garantisce che la cementazione non segua vie preferenziali, lasciando scoperti tratti anche ampi di colonna. Oltre a ciò, nel caso in cui la velocità di risalita della tubazione sia eccessiva possono verificarsi delle "separazioni" del getto, lasciando prive di rivestimento alcune parti della perforazione .

Un campo in cui si riscontrano le problematiche sopra descritte è quello del sonde geotermiche: esse comprendono essenzialmente dei fori, profondi in media un centinaio di metri, entro cui si calano due o quattro tubi di piccolo diametro, usualmente di 2,6 cm di diametro interno, entro cui scorre il liquido che trasporta il calore del sottosuolo in superficie (o viceversa), che a sua volta è utilizzato per la climatizzazione degli ambienti (civili, industriali o agricoli). Prima della messa in opera del sistema, il foro deve essere cementato per preservare i tubi da contatti col terreno che potrebbe danneggiarli, per evitare che eventuali perdite del liquido refrigerante possa inquinare le falde acquifere ed il terreno e per evitare che il foro metta in comunicazione falde acquifere differenti con rischi di contaminazione indiretta dell'acqua .

Dalla pubblicazione Amir, J. M. "Single-Tube Ultrasonic Testing of Pile Integrity", ASCE Deep Foundation Congress, Voi. 1 pp. 836-850, Orlando, 2002 è noto un procedimento di ispezione per pali di fondazione in cemento che prevede di operare un'emissione di onde ultrasoniche all'interno di un tubo in PVC o acciaio, del diametro minimo di 50 mm, inserito nel palo di fondazione e riempito d'acqua, e corrispondentemente ricevere le onde ultrasoniche all'interno del foro. Tali tecniche, che sono comunque in generale applicate a pali di fondazione e rappresentano l'applicazione a un foro singolo di tecniche normalmente impiegate propagando ultrasuoni fra due fori adiacenti, presentano difficoltà a identificare i difetti in campi di applicazione differenti, dovute alla relativa prossimità dell'emettitore e del ricevitore, poiché i tempi di propagazione registrati al ricevitore sono fortemente influenzati dalla propagazione diretta nell'acqua e dalla natura dell'interfaccia fra cemento e tubo nonché dalla natura stessa del tipo di cemento. Tali tecniche operano efficacemente solo con cemento compatto e armato, per lunghezze solitamente inferiori a 50 metri. I fori delle sonde geotermiche presentano di contro lunghezze oltre il centinaio di metri e sono usualmente realizzate tramite miscele di bentonite e cemento dalle ridotte caratteristiche meccaniche rispetto al cemento adottato nelle opere di fondazione.

Scopo dell'invenzione

Lo scopo della presente invenzione è quello di superare i problemi tecnici precedentemente descritti.

In particolare, lo scopo della presente invenzione è quello di fornire un procedimento e un corrispondente sistema di ispezione che permettano di ispezionare fori, anche di piccolo diametro, realizzati con cementazioni dalle ridotte caratteristiche meccaniche e estendesi oltre il centinaio di metri, acquisendo informazioni in maniera completa e automatica.

Sintesi dell'invenzione

Lo scopo della presente invenzione è raggiunto da un procedimento avente le caratteristiche formanti oggetto delle rivendicazioni che seguono, le quali formano parte integrante dell'insegnamento tecnico qui somministrato in relazione all'invenzione.

Breve descrizione dei disegni

L'invenzione sarà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, dati a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 è uno schema di principio rappresentante un sistema implementante il procedimento secondo 1'invenzione,

- la figura 2 è un diagramma temporale rappresentante un segnale impiegato nel procedimento secondo l'invenzione, - la figura 3 è un diagramma temporale rappresentante un segnale impiegato in una ulteriore forma realizzativa del procedimento secondo l'invenzione, e

le figure 4a-4d rappresentano ulteriori segnali impiegati dal procedimento secondo l'invenzione;

la figura 5 è un diagramma rappresentante una modalità d'impiego del procedimento secondo l'invenzione;

la figura 6 mostra un dettaglio dello schema di figura 1.

Descrizione dettagliata dell'invenzione

In breve, il procedimento secondo l'invenzione prevede di operare un'ispezione di un foro di pozzo cementato, per identificare tratti o zone con cementazione difettosa, tramite una tecnica di indagine geofisica indiretta basata sulla valutazione delle caratteristiche di propagazione di onde ultrasoniche nei fori di sondaggio per i quali si rende necessario conoscere con precisione la bontà della cementazione. Tale tecnica prevede di operare emissioni di onde ultrasoniche all'interno del foro da ispezionare, preventivamente riempito d'acqua o fluido avente un comportamento consimile dal punto di visto della propagazione delle onde ultrasoniche, a differenti valori di profondità e ricevere quindi le onde ultrasoniche conseguentemente propagatesi, sempre all'interno del medesimo foro, acquisendo un segnale ricevuto per ogni valore di profondità, analizzando il segnale ricevuto per misurare, in particolare correlando il segnale emesso o il relativo segnale di eccitazione e il segnale ricevuto, parametri rappresentativi della velocità di propagazione delle onde ultrasoniche all'interno del foro a ciascuna profondità, ottenendo specificamente un tempo di arrivo del segnale ricevuto e un'attenuazione di tale segnale ricevuto rispetto al segnale emesso, valutando la presenza di difetti a ciascuna profondità in funzione dei valori assunti da detto tempo di arrivo e detta attenuazione.

Tale procedimento, impiegando una valutazione combinata e non solo basata sui tempi di propagazione, permette di operare identificando con successo i difetti mantenendo l'emissione e la ricezione a intervalli anche molto ravvicinati, ad esempio 5-10 cm e per lunghezze di sondaggio superiori al centinaio di metri.

In figura 1 è rappresentato un sistema di ispezione secondo l'invenzione. Con il riferimento 20 è indicato un foro di pozzo scavato verticalmente. Con 21 è indicata la superficie del suolo. In tale foro 20 è inserito un assieme di misura 10, comprende un emettitore a ultrasuoni 11, che emette una sequenza o treno di onde ultrasoniche emesse E e un ricevitore di ultrasuoni 12, che riceve una corrispondente sequenza di onde ultrasoniche ricevute R, dopo la propaqazione in un tratto di lunqhezza d fra l'emettitore a ultrasuoni 11 e il ricevitore di ultrasuoni 12. Tali dispositivi 11 e 12 sono trasduttori, ad esempio di tipo piezoelettrico, che operano preferibilmente a frequenze comprese fra 20 e 40 kHz e hanno diametro inferiore a 25 mm e lunqhezza inferiore a 20 cm.

Nell'assieme di misura 10 l'emettitore 11 è disposto rispetto all'asse del foro 20 e alla superficie del suolo 21 a una quota più bassa, cioè inferiormente, verso il fondo del foro 20, mentre il ricevitore 12 è disposto superiormente all'emettitore 11 alla distanza d, che può essere compresa fra 1 cm e 1 m a seconda del tipo di materiale da indaqare e del diametro del foro 20, ad esempio il valore della distanza d per un foro 20 per sonde qeotermiche con diametro di 2,6 cm è preferibilmente compresa fra 10 e 20 cm.

L'assieme di misura 10 comprende inoltre un sensore di pressione 13, con tolleranza preferibilmente centimetrica, capace di misurare fino a 150 m di colonna d'acqua, ad esempio un sensore piezoelettrico con caratteristiche quali misura fino a 200 m di colonna d'acqua (20 bar), accuratezza di almeno 1% della misura massima, e un sensore di temperatura 14, preferibilmente con tolleranza del decimo di qrado, disposti al di sopra del ricevitore 12. I sensori e trasduttori componenti l'assieme di misura 10 sono disposti fissati a un cavo di sicurezza 15 d'acciaio per il recupero della strumentazione. Alla superficie 21 sono disposti un qeneratore 30 di seqnali e un modulo di acquisizione dati 31, ad esempio un computer con una scheda di acquisizione dati. Un cavo coassiale 16 è connesso all'assieme di misura 10 per permettere la ricezione dei seqnali del qeneratore di seqnali 30 e il trasferimento dei dati misurati dal ricevitore 12 e dai sensori di pressione 13 e di temperatura 14 al modulo di acquisizione dati 31. In qenerale, l'assieme di misura 10 potrebbe anche essere movimentato tramite il solo cavo coassiale 16, mentre il cavo di sicurezza 15 d'acciaio serve per eventuali recuperi d'emerqenza. Il qeneratore di seqnali 30 è nell'esempio qui descritto un qeneratore di onde quadre.

Il foro 20, che può essere rivestito da un tubo in PVC, ha, nel caso di sonde qeotermiche, un diametro minimo di 26mm. Per attuare il procedimento secondo l'invenzione viene preferibilmente riempito di un fluido quale acqua, che, al riempimento completo, permette di verificare la tenuta del foro 20 o del suo tubo di rivestimento

I sensori di pressione 13 e di temperatura 14 indicano rispettivamente una profondità h raqqiunta dall'assieme di misura 10 la temperatura dell'acqua alle varie profondità h.

II qeneratore 30 qenera un seqnale di eccitazione U comprendente impulsi elettrici, ad intervalli costanti molto ravvicinati, preferibilmente uquali o inferiori a 1 secondo, che attiva un sonotrodo emettitore nel trasduttore emettitore 11, il quale entra in vibrazione creando quale seqnale emesso E un treno d'onde che si propaqa -rispettivamente - nell'acqua, nel tubo, nella cementazione fino a raqqiunqere eventualmente il terreno.

Il ricevitore 12 in posizione più elevata riceve un corrispondente treno d'onde ultrasoniche ricevuto R rifratto da tali mezzi, nel tratto di distanza d, generando un segnale ricevuto VR, ad esempio di tensione, che viene trasmesso alla superficie 21, al modulo di acquisizione 31, tramite il medesimo cavo coassiale 16. Il segnale di eccitazione U è preferibilmente a onda quadra, con periodo di emissione di 1 s, che determina la generazione di una sequenza d'onde ultrasoniche E comprendente un treno di impulsi ultrasonici. Ciò può essere osservato anche con riferimento a figura 6, dove è meglio dettagliata rispetto a figura 1 la trasduzione degli impulsi a onda quadra del segnale di eccitazione U in sequenza emessa E attraverso l'emettitore il, la ricezione della sequenza ricevuta R conseguentemente propagatasi per una distanza d nel mezzo, cioè acqua che separa l'emettitore il dal ricevitore 12, e la conversione in un segnale ricevuto VR di tensione dove per ogni periodo del segnale U si identifica un'onda.

La profondità d'indagine radiale rispetto all'asse del foro 20, è funzione diretta della frequenza delle onde emesse nella sequenza emessa E. Tanto più tale frequenza è bassa quanto più volume si indaga. La profondità d'indagine è inoltre funzione delle velocità relative nei vari mezzi attraversati .

Il modulo di acquisizione 31 immagazzina il segnale ricevuto VR che poi può venire preferibilmente analizzato preliminarmente sul posto, ad esempio tramite elaborazione o visualizzazione sul computer che implementa tale modulo di acquisizione 31, per verificarne l'attendibilità attraverso una procedura di analisi descritta nel seguito che permette una interpretazione automatica dei risultati di misura.

Il segnale ricevuto VR viene inoltre o alternativamente memorizzato su un supporto digitale ed analizzato in dettaglio in laboratorio.

Contemporaneamente all'acquisizione del segnale ricevuto VR, viene acquisita una temperatura T del fluido e una relativa pressione idrostatica p presente in quel momento al sensore di pressione 13: in questo modo si potrà risalire alla temperatura del terreno/cementazione e alla profondità h a cui si sta eseguendo la misura.

Nella pratica, è previsto di accendere preliminarmente l'emettitore il per operare una sincronizzazione con il ricevitore 12. Quindi l'assieme di misura 10 viene calato a una velocità di avanzamento costante nel foro 20, ad esempio una velocità di circa 0,2 m al secondo, fino al fondo del foro da indagare, emettendo sequenze E e acquisendo i rispettivi segnali ricevuti VR al ricevitore 12 a ciascun valore di profondità h segnalato dal sensore di pressione 13 secondo intervalli determinati di profondità o tempo. Arrivato in fondo al foro di pozzo 20, l'assieme di misura 10 viene riportato progressivamente verso la superficie 21 con la stessa velocità della discesa. Come detto, in contemporanea, il sensore di pressione 13 registra con precisione il valore di profondità h a cui si sta indagando. Il valore di profondità h derivato dalla misura della pressione idrostatica p può essere corretto eventualmente tramite un valore di offset per tener conto della posizione rispetto all'emettitore il e al ricevitore 12. L'uso del sensore di pressione 13 permette di adottare un sistema, che, rispetto ad altri sistemi di rilevazione della profondità, ad esempio un encoder che misura lo svolgersi del cavo 15, assicura una migliore precisione di posizionamento, ad esempio entro qualche mm, lungo la verticale. Inoltre il sensore di pressione 13, rispetto a un encoder che misura 10 svolgersi del cavo, fornisce una misura di profondità effettiva, non influenzata da curvature o altri effetti geometrici legati alla struttura delle sonde, del foro o del sistema di sondaggio. Il sensore di pressione 13 nell'assieme di misura 10 determina infine un costo sicuramente inferiore e quindi una economicità di esercizio.

Una volta portato in superficie l'assieme di misura 10, è previsto di verificare la corretta acquisizione e registrazione della misura. Nel caso il segnale risulti disturbato o poco chiaro è possibile variare la distanza d tra emettitore 11 e ricevitore 12 o la velocità di avanzamento dell'assieme di misura 10 e ripetere la misura.

Pertanto, il procedimento prevede di acquisire a diversi valori di profondità h dei dati, che comprendono: 11 treno d'onde ricevuto come segnale ricevuto VR, la temperatura T del fluido attorno all'assieme di misura 10, la pressione idrostatica p, correiabile direttamente alla profondità h che si sta indicando.

Nel modulo di acquisizione 31 viene immagazzinata una serie di file corrispondenti a intervalli regolari di tempo durante la misura o di spazio percorso, ossia di profondità h, dall'assieme di misura 10, contenente le tracce del segnale ricevuto VR da cui si possono dedurre parametri correlati alla propagazione quali il tempo di primo arrivo tadell'onda corrispondente a una data sequenza emessa E a una data profondità h, una sua attenuazione A, la profondità h e la temperatura T.

L'elaborazione è condotta in modo automatico sulle diverse tracce acquisite del segnale ricevuto VR. Il procedimento secondo l'invenzione prevede di adottare in particolare sia tecniche di soglia, che di analisi spettrale per la determinazione dei tempi di arrivo tadel segnale e della sua attenuazione. La restituzione grafica permette di evidenziare all'operatore le zone a ridotte caratteristiche meccaniche, associate a minor velocità di propagazione e maggior attenuazione, rispetto a quelle in cui è eseguita una corretta cementazione, che tuttavia possono anche essere individuate in maniera automatica.

In particolare, è previsto di elaborare dei grafici, di cui in figura 5 è riportato un esempio, che tracciano l'andamento, in funzione della profondità h di misura restituita dal sensore 13, del tempo di arrivo tae dell'attenuazione A del segnale ricevuto VR rispetto al segnale emesso E o al segnale di eccitazione U. L'interpretazione degli andamenti risultanti viene eseguita in maniera combinata rispetto a tali tempo di arrivo tae attenuazione A, evidenziando zone, indicate in generale con 60 in figura 5, del foro 20 con cementazione di buona qualità, che è associata a bassi valori dei tempi di arrivo tae dell'attenuazione A ed le zone 60 del foro 20 con cementazione di cattiva qualità, che è associata ad alti valori dei tempi di arrivo tae dell'attenuazione A. La misura combinata di tali due parametri, tae A, permette inoltre eventualmente di distinguere eventuali zone all'interno del foro 20 in cui la cementazione pur apparentemente di buona qualità (bassi tempi di arrivo ta)sia caratterizzata da struttura non uniforme e da presenza di corpi granulari all'interno (alti valori di attenuazione A).

Per operare la determinazione dei tempi di arrivo tasi impiega preferibilmente un procedimento nel quale, per distinguere l'onda rifratta dal cemento da altre componenti si impiegano punti caratteristici del segnale ricevuto VR. Tali punti caratteristici sono in generale diversi da quelli usualmente impiegati nelle tecniche a ultrasuoni, ossia i punti detti di prima deflezione. In particolare, è previsto di impiegare per la determinazione del tempo di arrivo tail punto di massimo M e il punto minimo m del segnale ricevuto VR che, data la loro facilità di identificazione possono assicurare una maggiore reperibilità della stima. La presenza di un errore sistematico nelle misure risulta essere di minor importanza, dato che esso rimarrà costante in tutte le valutazioni consentendo così un calcolo coerente dei tempi di arrivo.

In figura 2 è riportato a titolo di esempio un segnale ricevuto VR dove è evidenziato il punto di massimo M e di un punto di minimo m di un segnale ricevuto VR; viene anche evidenziato il tempo di prima deflezione D, che viene individuato qui come inizio della semionda identificata tramite il massimo M e minimo m. Si può notare che, diversamente, per il segnale ricevuto VR ivi mostrato non vi è chiarezza di identificazione per gli arrivi anteriori ai 0.5 ms. Naturalmente il segnale ricevuto VR di figura 2 corrisponde in generale a un periodo del segnale di eccitazione U. Dunque, è previsto innanzitutto di rilevare il tempo a cui si rileva il massimo M e il tempo a cui si rileva il minimo M, e tali riferimenti temporali rilevati possono essere elaborati secondo diversa modalità di calcolo per ottenere un instante rappresentativo del tempo di arrivo ta. Ad esempio il tempo di arrivo tapuò essere identificato tramite una modalità di calcola che comprenda di operare una media fra il tempo a cui si rileva il massimo M e il tempo a cui si rileva il minimo m. Si noti come in tale procedimento di determinazione del tempo di arrivo ta, il valore di tale tempo di arrivo tanon sia importante in valore assoluto, ma principalmente in valore relativo tra i tratti con cementazione efficace e carente. La differenza nei punti caratteristici del segnale ricevuto VR tra zone del foro 20 con cementazione e quelle prive si rileva sperimentalmente come notevole e significativa tale da permettere una loro univoca identificazione.

Un diagramma di raffronto dei risultati ottenibili sia in termini di tempi di arrivo che di attenuazione è riportato in figura 5. In tale figura 5, in funzione della profondità h sono riportati i tempi di arrivo tae l'attenuazione A. Inoltre, sempre in funzione della profondità h, sono indicate delle zone 60 nelle quali è stato riscontrata la qualità della cementazione del foro 20. In particolare, con 60a è indicata una zona di cemento di qualità discreta. Con 60b è indicata una zona di difetto. Con 60c è indicata una zona di transizione. Con 60d è indicata una zona di cemento di buona qualità. Con 60e è indicata una zona di difetto. Con 60f è indicata una zona di cemento di buona qualità. Le zone di difetto 60b e 60e sono caratterizzate da massimi locali del tempo di arrivo tae dell'attenuazione A, mentre le zone con buona qualità della cementazione 60d e 60f sono caratterizzate da minimi locali del tempo di arrivo tae dell'attenuazione A. Pertanto, la valutazione combinata delle curve tae A permette di identificare correttamente le zone di difetto Le zone 60a o 60c costituiscono zone intermedie che possono essere preferibilmente classificate rispettivamente come buone e di difetto. Come si può vedere dall'effettiva qualità di cementazione riscontrata, senza volersi legare per questo ad alcuna teoria specifica, è possibile tuttavia attribuire al minimo di tempo di arrivo accompagnato da un valore di attenuazione intermedio il significato di zona di qualità discreta o intermedia (zona 60a), così come la presenza di un massimo con ampiezza limitata per i tempi di arrivo taaccompagnata a un massimo dell'attenuazione può denotare una zona di transizione fra difetto e buona cementazione. Pur evidenziando delle differenze di caratteristiche delle zone cementate soprattutto nella parte superiore del foro.

I valori assoluti dei tempi di arrivo ta, generalmente dell'ordine dei ms, e le relative variazioni fra un valore alto e uno basso sono molto dipendenti dalle condizioni d'impiego, così come anche per l'attenuazione. Pertanto, a titolo d'esempio, per valutare se i valori di tempo di arrivo ta, e attenuazione A siano alti o bassi al fine di determinare la qualità di cementazione, è possibile ad esempio acquisire i valori massimi e minimi assunti rispettivamente da tali tempo di arrivo ta, e attenuazione A durante l'ispezione, calcolare la distanza fra valore massimo e minimo e porre una soglia, ad esempio a un valore di tale metà di tale distanza, per discernere rispetto a tale soglie quali valori di tempo di arrivo taattenuazione A siano da considerare bassi e quali siano alti e valutare la ricorrenza delle condizioni enunciate per le zone 60b, 60d, 60e, 60f (cattiva qualità con alto tae alta A, buona qualità con bassi tae A) secondo il procedimento di identificazione automatica dei difetti preferito. E' chiaro che in tale ottica è anche possibile definire delle soglie intermedie per valutare casi come quelli delle zone 60a e 60c.

E' pertanto possibile implementare procedimenti di analisi che operino il riconoscimento automatico dei tempi di arrivo tacorrispondenti al massimo M ed al minimo m del segnale ricevuto VR e ne forniscano una media per ogni profondità h. Oltre a ciò si può inoltre pervenire ad una stima di un'attenuazione A del segnale ricevuto VR rispetto al segnale emesso E. In particolare, per rappresentare il segnale emesso E può essere impiegata l'ampiezza della tensione applicata quale segnale di eccitazione U, calcolando l'attenuazione A come rapporto delle relative ampiezze, U/VR. Tale ampiezza della tensione applicata quale segnale di eccitazione U può essere, ad esempio, ricorretta alla luce di dati di taratura relativi alla funzione di trasferimento del sonotrodo, che legano l'ampiezza della tensione del segnale di eccitazione U all'ampiezza della pressione effettivamente generata dal trasduttore emettitore 11. Tale taratura può anche tenere conto di parametri di impiego quali l'accoppiamento al mezzo. L'attenuazione A viene preferibilmente calcolata considerando per i medesimi punti, ad esempio il massimo M e il minimo m, l'ampiezza fra il massimo a minimo del rispettivo segnale ricevuto VR, ossia ad esempio il valore di tensione in volt. Tale valore assoluto rapportato all'ampiezza dell'onda ultrasonica immessa al momento dell'impulso, ad esempio rappresentata dal valore della tensione del segnale di eccitazione U del segnale immesso, presenta una netta variazione delle caratteristiche del treno d'onda ricevuto nelle zone in cui la cementazione non è stata efficace.

Il tempo di arrivo tadedotto dal segnale ricevuto VR è inoltre valutato, come accennato, per ottenere una maggiore consistenza dei risultati, con tecniche di analisi che possono far ricorso all'analisi spettrale. Un tempo di viaggio della sequenza d'onde ultrasoniche emesse, che corrisponde al tempo di arrivo taa meno di uno scostamento di tempo eguale per tutti i segnali è valutato come il picco della funzione di cross correlazione tra la sequenza emessa E ed la sequenza ricevuta. La funzione di cross correlazione CC tra le due sequenze emesse E e ricevute R è data infatti dalla formula:

con T è indicata la lunghezza totale dei due segnali, E ed R, e con τ il time shift o scostamento di tempo tra i due segnali. Tale funzione di cross-correlazione CC raggiunge un massimo per valori corrispondenti al tempo di viaggio dell'onda tra i due punti dello spazio in cui essa è stata registrata o acquisita. In figura 3 è riportata a titolo di esempio tale funzione di cross correlazione CC, normalizzata, calcolata sui segnali corrispondenti alla sequenza emessa E e ricevuta R, dove è indicato il picco PK che determina il tempo di arrivo tadell'onda.

Tale funzione di cross-correlazione CC è solitamente ottenuta, per un vantaggio computazionale, tramite metodi di analisi spettrale. Vengono preliminarmente valutate le trasformate di Fourier del segnale ricevuto LR, ossia del segnale ricevuto VR e del segnale immesso LE, ad esempio del segnale di eccitazione U, e calcolato il cross-power spectrum dei due segnali tramite:

dove LR{f) è il complesso coniugato della trasformata di Fourier del segnale ricevuto VR. La funzione di crosscorrelazione normalizzata è quindi ottenuta antitrasformando il cross-power spectrum e normalizzando rispetto al suo valore massimo.

Il valore di tempo di arrivo tastimato in base al picco PK di cross correlazione e il valore di tempo di arrivo tastimato in base all'identificazione del massimo M e del minimo M del segnale ricevuto possono essere combinati secondo una operazione di media, o media pesata o altra operazione di combinazione delle stime di valori di tempo di arrivo ottenute per migliorare la stima.

Il procedimento secondo l'invenzione, inoltre, per risolvere ulteriormente le possibili ambiguità relative alla determinazione dei tempi di arrivo tae dell'attenuazione nei segnali ricevuti, prevede di adottare tecniche specifiche per un miglioramento della qualità dei segnali acquisiti in termini di componenti in frequenza. In particolare, è previsto di applicare al segnale ricevuto VR tecniche di post-processing e di filtraggio. I filtri passa banda di tipo Butterworth sono preferibilmente impiegati per ridurre sia il rumore ad alta frequenza che quello a bassa frequenza i quali possono comportare errori nella stima dei parametri ricercati. Tali filtri sono progettati e calibrati (coefficienti del filtro, pendenza delle rampe ed ampiezza della banda passante) in funzione delle caratteristiche di alcuni segnali ricevuti analizzati statisticamente ed in funzione della frequenza centrale del sensore emittente 11 e della forma d'onda immessa in modo da isolare le onde di interesse nell'analisi. Un esempio delle applicazioni dei filtri alle tracce ricevute è riportato nelle figure 4a-4d. Nelle figure 4a e 4b sono mostrati segnali ricevuti con rumore, rispettivamente un segnale nel dominio del tempo (figura 4a) e il suo spettro di frequenza (figura 4b). Nelle figure 4c e e 4d sono rappresentati i corrispondenti segnali filtrati. Il filtraggio può essere ad esempio effettuato tramite filtri passa banda con ampiezza di banda pari a circa un quarto della frequenza centrale della sorgente ultrasonica.

Il vantaggio principale di un procedimento e sistema secondo la presente invenzione risiede nel fatto che rendono possibile ispezionare fori anche di piccolo diametro, realizzati con cementazioni dalle ridotte caratteristiche meccaniche e estendentesi per una grande lunghezza, anche oltre il centinaio di metri, acquisendo informazioni in maniera completa e automatica. In particolare è possibile ispezionare in modo indiretto e non distruttivo l'intera colonna del foro e certificare la corretta realizzazione dello stesso, il posizionamento ravvicinato dei trasduttori a ultrasuoni essendo consentito dal procedimento di analisi proposto che prevede di valutare sia il tempo di arrivo, in particolare in base a massimi e minimi o cross-correlazione, che l'attenuazione a diverse profondità.

Il sistema proposto permette di operare con fori con diametri liberi di foro inferiori a 4 cm, quali sono quelle dei fori di sondaggio destinati ad ospitare sonde geotermiche, piezometri, o altre applicazioni in cui il foro risulti di diametro inferiore a 4 cm. In particolare, il sistema descritto, tramite l'adozione di trasduttori ultrasonici operanti preferibilmente fra 20 e 40 KHz, è in grado di essere inserito in fori di diametro inferiore a 2,5 cm con rivestimento in PVC.

Inoltre la contemporanea applicazione di sensori di temperatura e pressione permette di acquisire informazioni complementari importanti per la valutazione delle caratteristiche del foro di pozzo nel suo complesso. In particolare, l'uso del sensore di pressione per misurare la profondità permette vantaggiosamente di ottenere una misura di profondità effettiva, non influenzata da curvature o altri effetti geometrici legati alla struttura delle sonde o del sistema di sondaggio. La temperatura dell'acqua può essere impiegata come informazione supplementare sullo stato della zona,in particolare sulle caratteristiche termiche dei terreni attraversati dalla sonda e quindi sulla resa delle sonde.

Il procedimento che adotta il punto di massimo e il punto minimo del segnale ricevuto complessivamente è meno critico e permette di ottenere una stima più accurata rispetto a tecniche note in cui la determinazione del tempo di arrivo è basata solamente sulla prima deflezione del segnale ricevuto, quest'ultima tecnica richiedendo un giudizio critico sulla qualità delle tracce ottenute che difficilmente, se condotta in maniera sistematica, porta a determinazioni univoche della velocità.

Naturalmente, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variate rispetto a quanto descritto ed illustrato senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione, così come definito delle rivendicazioni annesse.

Il campo di applicazione principale della presente invenzione è quello della geologia, della geotermia a bassa entalpia (sistemi a pompe di calore) e della geotecnica. In particolare il procedimento e sistema proposti si applicano alla verifica della cementazione delle sonde geotermiche La tecnica si presta, però, a verificare il buon grado di cementazione in altri tipi di applicazioni, quali i fori per indagini sismiche, le porzioni da isolare idraulicamente in piezometri e pozzi industriali o a scopo idropotabile

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di ispezione di un foro di pozzo cementato, comprendente le operazioni di emettere una sequenza di onde ultrasoniche (E), applicando un segnale di eccitazione (U) a un dispositivo emettitore (11) di ultrasuoni, all'interno di detto foro (20), ad almeno una data profondità (h) lungo detto foro (20), e ricevere una sequenza di onde ultrasoniche (R), conseguentemente propagatesi in detto foro (20), tramite un ricevitore (12) di ultrasuoni disposto all'interno di detto foro (20), acquisendo un relativo segnale ricevuto (VR), analizzare detto segnale ricevuto (VR) per calcolare parametri rappresentativi della velocità di propagazione (ta)di detta sequenza di onde ultrasoniche ricevuta (R) all'interno di detto foro (20) a detta profondità (h), valutare la presenza di difetti (60b, 60e) a detta profondità (h) in funzione di valori assunti da detti parametri (ta)rappresentativi della velocità di propagazione di dette onde ultrasoniche all'interno di detto foro (20), caratterizzato dal fatto che detta operazione di analizzare detto segnale ricevuto (VR) per calcolare parametri rappresentativi della velocità di propagazione (ta)di detta sequenza di onde ultrasoniche ricevuta (R) comprende di calcolare un tempo di arrivo (ta)di detta sequenza di onde ultrasoniche ricevuta (R) e comprende inoltre di calcolare un'attenuazione (A) della sequenza di onde ultrasoniche ricevuta (R) rispetto alla sequenza di onde ultrasonore emessa (E).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende di analizzare detto segnale ricevuto (VR) per identificare il tempo di arrivo (ta)della sequenza ricevuta (R) al ricevitore (12) tramite la rilevazione di un massimo (M) e un minimo (m)del segnale ricevuto (VR).
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che comprende calcolare detto tempo di arrivo (ta)calcolando una cross-correlazione (CC) della sequenza ricevuta (R) e della sequenza emessa (E) e considerare come tempo di arrivo (ta)il tempo a cui si ubica un picco (PK) di detta cross-correlazione (CC).
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, caratterizzato dal fatto che comprende di calcolare detta attenuazione (A) della sequenza di onde ultrasoniche ricevuta (R) rispetto alla sequenza di onde ultrasonore emessa (E) in funzione del rapporto fra un'ampiezza del segnale di eccitazione (U) e del segnale ricevuto (VR).
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che comprende di calcolare detta attenuazione (A) confrontando l'ampiezza fra detto massimo (M) e minimo (m) del segnale ricevuto (VR) con l'ampiezza del segnale di eccitazione (U).
6. 6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende di operare un filtraggio, in particolare un filtraggio di Butterworth, sul segnale ricevuto (VR) per eliminare il rumore.
7. 7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende di eseguire dette operazioni di emettere (il), ricevere (12), e acquisire (31) a una pluralità di valori di profondità (h), detta pluralità di valori di profondità (h) essendo in particolare distribuita a intervalli regolari di distanza lungo il foro (20) o di istante di acquisizione.
8. 8. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende di identificare come zone (60d, 60f) del foro (20) con cementazione di buona qualità zone in cui si misurano bassi valori dei tempi di arrivo (ta)e di attenuazione (A) e come zone (60b, 60e) con cementazione di cattiva qualità zone in cui si misurano alti valori dei tempi di arrivo (ta)e dell'attenuazione (A), in particolare detti valori dei tempi di arrivo (ta)e dell'attenuazione (A) essendo definiti alti o bassi rispetto a rispettivi valori di soqlia determinati.
9. 9. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di misurare la pressione idrostatica (p) in detto foro (20) a detta profondità determinata (h) per calcolare il corrispondente valore di profondità.
10. 10. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di misurare inoltre a oqni profondità (h) una temperatura (T) del fluido di detto foro (20).
11. 11. Sistema di ispezione di un foro di pozzo cementato, comprendente un assieme di misura (10) comprendente un emettitore (11) di onde ultrasonore e un ricevitore (12) di onde ultrasonore, mezzi di acquisizione (31) di un seqnale ricevuto (VR) da detto ricevitore (12) di onde ultrasonore, detti emettitore (11) e ricevitore (12) essendo posti in detto assieme di misura (10) a una distanza (d) in direzione parallela all'asse del foro (20), detto assieme di misura (10) essendo confiqurato per essere mobile in detto foro (20) lunqo l'asse di foro sotto l'azione di mezzi di attuazione (15, 16) in direzione assiale, in particolare un cavo di traino caratterizzato dal fatto che è configurato per operare le operazioni secondo una o più delle rivendicazioni di procedimento da 1 a 10.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto assieme di misura (10) comprende un sensore di temperatura (13).
13. 13. Sist ema secondo la rivendicazione 11 o 12, caratterizzato dal fatto che detto assieme di misura comprende un sensore di pressione (14).
14. 14. Sistema secondo la rivendicazione 11 o 12 o 13, caratterizzato dal fatto che comprende un generatore (30) per generare un segnale di eccitazione (U) di detto emettitore di onde ultrasoniche (11).
15. 15. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 11 a 14, caratterizzato dal fatto che detto emettitore (11) di onde ultrasonore e ricevitore (12) di onde ultrasonore operano a una frequenza compresa fra 20 e 40 KHz.