JP2013508737A - 穿孔時記録音響計測のための装置 - Google Patents

Abstract

困難な記録状況において、高品質の計測結果を得ることができる、坑井環境に音響計測のための装置が開示される。例示の装置は、本体上に配置された複数の送信機をともなった本体を有するダウンホールツールを含む。受信機は、本体上に送信機と離間して配置され、減衰器区分は、少なくとも一つの送信機と受信機との間に、本体に一体に形成されている。
【選択図】図１

Description

本開示は、概して音波記録システムに関し、より詳細には、記録が困難な状況において高品質の音響計測結果を得られる穿孔時記録（logging while drilling）器具に関する。

地層特性は、坑井の掘削の間、又は、その直後に、穿孔時記録（ＬＷＤ）として知られる工程において孔底アセンブリに組み込まれた器具を用いることにより、計測することができる。ＬＷＤ工程により、掘削流体が深く浸透する前に地層の特性を計測することが可能になる。さらに、多くの坑井、特に、大きく偏向した坑井は、従来の有線の器具による計測が困難である。これらの状況において、ＬＷＤ計測の使用により、有線による作業では不可能な、少なくともいくつかの地下計測結果を結果的に得ることができる。タイムリーなＬＷＤデータは、坑井が対象の領域内や、例えば、非常に価値のある頁岩層などの層の最も生産性の高い部分に維持されるように、坑井の配置を案内するためにも使用できる。

現在、ＬＷＤ器具は、高速地層（fast formation）かつ小さな坑井の特性の計測に必要なエネルギを生成することができる。しかしながら、例えば、低速地層（slow formation）かつ大きな坑井のような、困難な記録条件において、計測精度を向上するためには、大きなエネルギが必要となる。

特定の実施の形態が上記の図面に示され、以下に詳細に記載される。これらの実施の形態を記載する際に、同様又は同じ参照番号は、共通又は同様の要素を特定するために用いられる。図面は必ずしも寸法決めされておらず、特定の図及び特定の図の描写は、明確さ及び／又は理解のために寸法又は概略的に誇張されている。さらに、ここでは、特定の好適な実施形態が開示されるが、他の実施形態を使用でき、本発明の範囲から離れることなく、構造を変更してもよい。

ここに記載される例示の音響計測器具は、例えば、低速地層かつ大きな坑井のような困難な記録状況において高品質の計測を可能とするために、例えば、穿孔時記録システムなどの音波記録システムとともに用いられる。低速地層及び大きな坑井において、例えば、四極子及びスタンレー計測などの様々な計測結果を収集するため、記録器具は、通常、高速地層かつ小さい坑井で必要なエネルギよりも、より大きなエネルギを地層へと放出する必要がある。加えて、低速地層及び／又は大きな坑井では、高速地層又は小さな坑井における周波数よりも低い周波数で、四極子エアリ相が生じる。ここに記載する例示の音響計測器具は、低速地層とともに、高速地層においても、例えば、単極子モード、スタンレーモード及び四極子モードなどの高品質の音響計測を実施するために必要な周波数及びエネルギを有する音響信号を発生する。

ここに記載された例示の音響計測器具は、一又は二以上の送信機／受信機構成又は形態を有し、上記のような状況などの記録が困難な状況で、質の高い音波計測を実施するのに必要な特性を有する音響信号を発生する。例えば、これらの音響計測器具のいくつかは、器具本体又はカラー（つば）に配置された複数の送信機を含んでもよい。器具本体は、坑底アセンブリにおいてドリルカラーとして機能し、これにより、これらの用語は、相互変更可能に用いられる。しかしながら、以下の記載では、「器具本体」を使用する。

器具本体に配置された複数の送信機は、それぞれ、特定のファイアリング（発信）モードに最適化されている。一般的に、各送信機のファイアリングモードは、高いモード純度での送信機の励起を実現するため、送信機は特定の形状であり、かつ／又は、例えば、チタン酸鉛又はジルコン酸チタン酸鉛などの所定のタイプの圧電性材料からなることを必要とする。これにより、複数の送信機を利用する構成は、各送信機の設計がそれぞれ、特定のファイアリングモードに対して最適化されることを可能とする。例えば、第１の送信機は単極子ファイアリングモード作動に対して最適化されるとともに、第２の送信機は多極子ファイアリングモード作動に対して最適化されるように、器具を形成できる。

ここに記載される例示の音響計測器具は、上記の各送信機が、受信機から異なる軸方向距離だけ離間するように、器具本体に配置されている。より具体的には、複数の送信機を有する器具の成形は、送信機と受信機の間隔を特定のファイアリングモードに対して最適化することができる。例えば、単極子ファイアリングモードに対する器具本体に沿った伝播を減衰するための最適な送信機と受信機の間隔は、四極子ファイアリングモードのための最適な間隔よりも長い。この例では、受信機の外径は、伝播する音波の減衰に影響を与えることなく、器具本体の外径と同じ又は異なることが可能である。

追加の構成要素をここに記載する例示の器具に追加することができる。例えば、器具本体の、上記の送信機及び受信機の少なくとも一つの間に、減衰器区分を一体に形成してもよい。この減衰器は、音響コントラストとともに、カラー延長モードの特性を減衰させるため、器具ハウジングに複数の溝を形成してもよい。このような溝は、器具本体の内側及び外側に形成することができ、音響減衰材料で充填してもよい。この音響減衰材料は、カラーアライバル（collar arrival）などの、構造により伝達される望まない音響信号をより効率的に減衰できるように、タングステン粒子などのゆるい粒状材料であってもよい。より詳細な、減衰技術は、米国特許第６６４３２２１号明細書、米国特許出願公開第２００８／００６６９６５号に記載され、これらは、その全体を参照することにより、ここに組み込まれる。これに代えて、四極子モード計測のため、器具本体に溝を形成することなく、減衰区分を形成してもよい。

また、例示の器具は、送信機、受信機及び減衰器がスタビライザの間に位置するように、器具本体に配置されたスタビライザを備えることができる。これらのスタビライザは、坑井の径に対して調整可能であり、ドリルビットの寸法及び穿孔状況に応じて変化する。このようにスタビライザを配置することにより、送信機及び受信機を最大限に中心化することができる。この結果、計測データへの器具の影響が予測でき、処理において形状することができるため、波形計測のより高い正確性及び質が得られる。

加えて、送信機のワイヤを収容し、器具本体の外側と内側の間の電気接続を強固にするため、器具ハウジングに溝を配置することができる。これにより、電気接続のための穴が送信機及び受信機の区分の外側に位置し、計測データに対する孔の影響を最小化できる。

ある実施の形態では、音響計測器具は、器具本体に沿って、受信機の一方の側に配置された複数の送信機を備えるように構成できる。この構成は、減衰器区分からの反射波が受信機区分に到達しないことを確実にする。加えて、この構成は、複数の送信機を駆動するために必要な電気接続を、互いに近くに配置することを可能にする。この構成によれば、送信機回路と受信機回路のクロストークの可能性を減らすことができる。また、この送信機の構成は、器具の長さを、受信機の両側に送信機が装着された器具の長さよりも短くできる。

他の実施の形態では、音響計測器具は、器具本体の受信機の両側に配置された少なくとも二つの送信機と、二つの送信機の間に配置された減衰器とを有するように構成できる。この構成は、送信機と受信機の間の器具本体のデザインを、それぞれの側で独立して最適化することができる。さらに、第２の送信機の外径が、坑井モードの伝播に影響を与えることなく、器具本体全体の径よりも大きくできる。加えて、器具本体は、複数の延長ブロックを備えることができる。この実施の形態では、複数の方位角方向に離間した音響駆動要素又は送信機要素を用いて形成された送信機の少なくとも一つは、それぞれ延長ブロックのうちの対応する一つに結合する各駆動要素を含む。これらの延長ブロックは、送信機駆動要素が、坑井壁面の近くの場所で、坑井を振動することを可能にする。

他の実施の形態では、音響計測器具は、器具本体の減衰区分に配置された送信機を有するように構成できる。この実施の形態では、減衰区分に配置された送信機の外径は、減衰区分の外径とほぼ等しい外径を有する。この構成は、減衰区分に配置された送信機が、第１の送信機とともに励起した坑井モードの伝播に影響を与えることがない。この構成は、送信機の正面で伝播のいくらかを反射する、減衰区分に配置された送信機における音響コントラストを防止できる。器具本体における送信機の形成に関するより詳細な情報は、米国特許第７４７０４３５号明細書に記載され、その全てを参照することにより本願に組み込まれる。

ここで記載される例示の音響計測器具は、困難な記録状況において質の高い音波計測を達成するのに必要なエネルギを生成するため、上記の特徴に加えて、一又は二以上の送信機及び受信機の構成を含む。例えば、器具は、四極子波を得るために、四つの方位角の受信機を備えることができる。この場合、記録された信号は、空間フーリエ変換を用いて、単極子、双極子、及び四極子モードへと分解できる。これに代えて、例示の器具は、少なくとも８つの受信機アレイを備えて構成できる。この構成によれば、クロスライン四極子計測が可能となり、非等方性の媒体内での四極子分割（quadrupole splitting）を探知できる。加えて、この構成によれば、例えば、単極子モードの操作中における八極子モードなどの、不要な高い次数のモードを拒否できる可能性が増加する。さらに、この構成によれば、イメージングの適用のための、より高品質な方位角分解性能が確実になる。この構成において、音源は単極子、双極子、四極子又は他の多極子音源にできる。一体化された音響送信機及び受信機組立体に関するさらなる情報は、米国特許第７３６４００７号明細書及び米国特許出願公開２０１０／００００３１１に含まれ、これらはその全てを参照することによりここに組み込まれる。

上記のあらゆる送信機は、複数の音響駆動要素又は送信機要素を用いて形成できる。ここに記載したように、「音響駆動要素」及び「送信機要素」は、トランスデューサなどの、電気エネルギを音波へ変換する送信機の要素をいう。「音響駆動要素」は、これに従って、以下使用される。

各音響駆動要素は、別々、すなわち、別個であり、円筒の一部を形成する。例えば、送信機は、それぞれ、反円弧状の輪郭を有し、器具本体に設置される二つの円筒形状の音響駆動要素を用いて、送信機を形成できる。代わりの実施の形態では、送信機は、それぞれ、反円弧状の輪郭を有する二つの円筒形状の音響駆動要素を用いて形成してもよいし、同じ器具本体の第２の送信機を、それぞれ４分割の円弧輪郭を有する４つの円筒形状の駆動要素を用いて物理的又は電気的に形成してもよい。これら４つの駆動要素は、例えば、単極子モードを励起するため、同じ極性の圧力波、又は、四極子モードを励起するため交流極性の圧力波を発するのに使用される。これにより、一つの送信機を単極子音源として作動するように構成し、他の送信機を多極子音源として作動するように構成できる。この例示の構成では、第２の送信機のそれぞれが四分割の円弧輪郭を湯酢売る４つの円筒形状要素が、４つの受信機アレイと整列している。これにより、送信機は、それぞれ受信機アレイと方位角方向に整列するように、器具本体に配向されている。この構成により、インライン四極子信号を記録することが可能になる。加えて、この例示の構成では、それぞれ半円弧輪郭を有する二つの円筒形状の要素を用いて形成下第１の送信機は、受信機に対して、４５度、方位角方向又は半径方向にオフセットするように、器具本体に配列されている。この第１の送信機は、単極子ファイアリングを目的とするものだが、ある四極子モードを励起することもできる。第１の送信機は、第１の送信機により供給されるよりも、高い次数のモードが受信機アレイにより受信されるのを減らすように、器具本体において受信機アレイに対して配向されている。方位角のオフセットにより受信機における四極子信号を最小化できるため、この実施の形態の配列によれば、受信機における単極子信号に対する四極子混合（contamination）を最小化する。

他の実施の形態では、両送信機は、それぞれ四分割の円弧輪郭を有し、例示の器具本体に設置された４つの円筒形状の音響駆動要素を用いて形成されている。この実施の形態では、二つの送信機のうちの一つが、器具本体において、受信機に対して４５度の方位角のオフセットを有するように整列されている。この実施の形態の構成によれば、両送信機が、単極子、双極子、または四極子モードを励起することが可能となる。さらに、この構成によれば、四極子モードの二つの信号（互いに直交している）を受信機により記録できる。

ここで記載される例示の方法及び装置を実施するための、送信機及び受信機を含む、例示の坑井サイトシステムを示す。 例示の音響穿孔時記録器具を示す。 器具本体に沿って、受信機の片側に配置された複数の送信機を有する、例示の音響計測器具を示す。 送信機の間に減衰器が位置するように、器具本体の受信機の両側に送信機を配置する例示の音響計測器具を示す。 器具本体の減衰器に送信機を配置する例示の音響計測器具を示す。 図５ａの例示の音響計測器具の断面図を示す。 複数の延長ブロックに結合された送信機を有する例示の音響計測器具を示す。 図６ａに示された例示の音響計測器具の断面図を示す。 音響計測器具の受信機区分の断面図を示す。 送信機が単極子音源である場合の、図７ａの音響計測器具の送信機区分の断面図を示す。 送信機が多極子音源である場合の、図７ａの音響計測器具の送信機区分の断面図を示す。

図１は、例示の方法及び装置が実装された坑井サイトシステム１００を示す。坑井サイトシステム１００は、陸上であっても、海上であってもよい。図１の例示の坑井サイトシステムにおいて、回転及び／又は指向性の穿孔により、一又は二以上の地下層内に坑井１０２が形成される。ドリルストリング１０４は、坑井１０２内に懸下されており、下端にドリルビット１０８を含む坑底アセンブリ１０６を有する。坑井システム１００は、地表に、坑井１０２を覆うように配置されたプラットホーム及びデリックアセンブリ１１０を含む。デリックアセンブリ１１０は回転テーブル１１２を有し、回転テーブル１１２は、ドリルストリング１０４の上端においてケリー１１４と噛み合い、回転をドリルストリング１０４へ伝達する。回転テーブル１１２は、図示しない装置又はシステムによりエネルギ供給される。例示のドリルストリング１０４は、トラベリングブロック（不図示）に取り付けられたフック１１６から垂下している。加えて、ドリルストリング１０４は、ケリー１１４及び回転スイベル１１８を貫通して位置決めされており、これにより、フック１１６に対するドリルストリング１０４の回転が可能になる。加えて、又はこれに変えて、トップ駆動システム（不図示）を、ドリルストリング１０４に回転を伝達するために使用できる。

図１に示された例では、坑井システム１００は、さらに、穿孔流体１２０を含む。例えば、穿孔流体１２０は、他の坑井の圧力を維持し、かつ／又はドリルビット１０８を取り囲む領域から切削物を除去するため、ウォーターベースマッド、オイルベースマッド、ガス穿孔流体、水、ガス、又は、他の流体を備える。穿孔流体１２０は、坑井サイトに形成されたピット１２２内に貯蔵される。ポンプ１２４は、穿孔流体１２０を回転スイベル１１８のポートを介してドリルストリング１０４の内部へ送り出し、矢印１２６で示されているように、穿孔流体１２０を、ドリルストリング１０４を通して、下方に流れさせる。穿孔流体１２０は、ドリルビット１０８のポートを介してドリルストリング１０４から排出され、矢印１２８で示されているように、ドリルストリング１０４と坑井１０２の壁面との間の環状領域を通って上方へ循環する。穿孔流体１２０は、ドリルビット１０８を滑らかにし、再循環のためにピット１２２へ戻される際に地層からの切断物を地表へ運び、坑井１０２の壁面にマッドケーキ層（不図示、すなわちフィルターケーキ）を作り出す。

加えて、坑井システムは、通信リレー１３０及び記録・制御プロセッサ１３２を含む。例示の通信リレー１３０は、孔底アセンブリ１０６内に配置されたセンサ、送信機及び／又は受信機からの、情報及び／又はデータを受信する。情報は、ドリルストリング１０４を通る有線通信経路を介して、及び／又は無線通信経路を介して、通信リレー１３０により受信される。通信リレー１３０は、受信した情報及び／又はデータを記録・制御プロセッサ１３２へ送信する。加えて、通信リレー１３０は、記録・制御プロセッサ１３２からデータ及び／又は情報を受信する。通信リレー１３０は、データ及び／又は情報を受信すると、データ及び／又は情報を、孔底アセンブリ１０６内の適切なセンサ、送信機及び／又は受信機へ送信する。

例示の記録・制御プロセッサ１３２は、パラメータを入力し、かつ／又は出力を表示することを可能にするユーザインターフェースを含む。加えて、記録・制御プロセッサ１３２は、岩層の境界のイメージングを制御する。例えば、記録・制御プロセッサ１３２は、坑井１０２内に孔底アセンブリ１０６、及び／又は、音響かつ／又は振動イメージングツールを配置し、送信機に受信機へ信号を送信させ、かつ／又はセンサに受信させる。

加えて、記録・制御プロセッサ１３２は、坑井１０２から岩石境界の位置までの距離を送信信号及び受信信号に基づき計算する。さらに、記録・制御プロセッサ１３２は、坑井１０２から岩層の境界までの距離を計算しながら、岩層内の異方性を補償する。記録・制御プロセッサ１３２は、地表の坑井上、かつ、坑井サイトシステム１００内に記載しているが、記録・制御プロセッサ１３２の一部又は全体を、坑井アセンブリ１０６及び／又は離間した場所に配置してもよい。

ある例では、図１の坑底アセンブリの器具は、それぞれの器具本体に収容される、どのような数及び／又はタイプの、穿孔時記録モジュール又は器具（そのうちの一つは、参照番号１３４で示される）を含んでもよい。図１に示されるＬＷＤモジュール１３４は、以下に記載される例示の装置である。坑底アセンブリ１０６は、穿孔時計測（measuring-while-drilling：ＭＷＤ）モジュール（そのうちの一つは参照番号１３６で示される）、及び、回転操縦可能システム又はマッドモータ１３８を含んでもよい。ＭＷＤモジュール１３６は、例えば、坑井の軌道を観測するためにドリルビット１０８の包囲及び傾きを計測してもよい。

坑底アセンブリ１０６は、例えば、送信機１４０Ａ、１４０Ｂ及び／又は受信機１４２Ａ−Ｃを介して情報を通信するための性能とともに、計測、処理、及び／又は情報を記録する性能を含む。送信機１４０Ａ−Ｂは、ＬＷＤモジュール１３４内に示されている。しかしながら、送信機１４０は、ＭＷＤモジュール１３６、及び／又は、別個の音響かつ／又は振動イメージング器具内に含まれてもよい。加えて、受信機１４２Ａ−ＣはＬＷＤモジュール１３４内に示されている。しかしながら、受信機１４２Ａ−Ｃは、ＭＷＤモジュール１３６、及び／又は、別個の音響かつ／又は振動イメージング器具内に含まれてもよい。送信機１４０Ａ−Ｂ及び／又は受信機１４２Ａ−Ｃは、通信リレー１３０及び／又は記録・制御プロセッサ１３２に通信可能に結合されている。さらに、二つの送信機１４０Ａ−Ｂが示されているが、他の実施の形態では、一又は二以上の送信機を含んでもよい。加えて、３つのみの受信機１４２Ａ−Ｃが示されているが、他の実施の形態では、より多くの、又はより少ない受信機を含んでもよい。

受信機１４０Ａ−Ｂは、これに限定されないが、音響信号、振動信号、音波信号、超音波信号、及び／又は、他の圧縮及び／又はせん断信号を含むどのような信号でも送信することができる。受信機１４２Ａ−Ｃは、送信機で発生した信号タイプを受信することができるセンサを含む。例えば、送信機１４０Ａ−Ｂが、中心周波数が８ｋＨｚの振動又は音響信号を発生する場合には、受信機１４２Ａ−Ｃ内のセンサは、中心周波数が８ｋＨｚの振動信号を探知しながら、他の信号タイプをフィルタリングするように形成されるとよい。送信機１４０Ａ−Ｂは、信号を発生することができる、あらゆるタイプの装置を含むことができ、受信機１４２Ａ−Ｃは、信号を探知でき、記録・制御プロセッサ１３２により処理できるように、信号を電子データへと変換できるように構成されたセンサを含む。

図１の構成要素は、特定の伝達タイプで実装されて、示され、かつ、記載されているが、ここで記載する例示の方法及び装置は、特定の伝達タイプには限定されず、かわりに、例えば、渦巻状チュービング、電線、有線ドリルパイプ、及び／又は産業界で知られている他の伝達タイプを含む、異なる伝達タイプに関連して実装されてもよい。加えて、又はこれに変えて、ここに記載された例示は、スマートウェル（smart well）、及び／又はインテリジェントコンプリション（intelligent completion）とともに実装されている。

図２は、音波式穿孔時記録器具を示し、これはＬＷＤ器具１３４であってもよく、米国特許第６３０８１３７号明細書に記載されたタイプのＬＷＤ器具群１３４Ａの一部であってもよい。米国特許第６３０８１３７号明細書は、参照して本願に組み込まれる。開示された実施形態では、図２に示すように、沿岸リグ２００が用いられており、音波送信音源又はアレイ２０２が水面近くに配置されている。これに変えて、いかなる他の好適なタイプの坑井上（uphole）又は坑井内（downhole ダウンホール）の音源又は送信機が提供される。坑井上プロセッサは、送信機２０２のファイアリングを制御する。坑井上装置は、発信源の近くに基準信号を補足するための音響受信機及び記録装置を含むことができる。坑井上装置は、さらに、坑井内装置（ダウンホール装置）からのＭＷＤ信号を受信するための遠隔制御装置を含む。遠隔制御装置及び記録装置は、典型的には、記録が坑井上及び坑井内のクロックの使用と同期するように、プロセッサに接続されている。坑井内ＬＷＤモジュール２０４は、少なくとも音響受信機２０６、２０８を含み、これらは、受信機により探知された信号が、信号源のファイアリングと同期した状態で記録されるように、信号プロセッサに接続されている。

図３は、器具本体３０８に沿って受信機３０６の一方の側に配置された複数の受信装置３０２、３０４を有する例示の音響計測器具３００を示す。また、例示の音響計測器具３００は、器具本体３０８に、送信機３０２、３０４と受信機３０６との間に一体に形成された減衰器３１０と、スタビライザ３１２、３１４とを含む。スタビライザ３１２、３１４は、送信機３０２、３０４、受信機３０６及び減衰器３１０がスタビライザ３１２、３１４の間に位置するように、器具本体３０８に配置されている。

本実施の形態では、受信機３０６は、各送信機３０２、３０４が、受信機３０６から異なる軸方向距離に離間するように、器具本体３０８に配置されている。例示の音響計測器具３００は、上記したような困難な記録状況における良質の音波計測を実施するのに必要な性能を有する音響信号を生成するため、この送信機／受信機の形態を採用している。特に、複数の送信機３０２、３０４を受信機３０６から異なる軸方向距離に配置することにより、それぞれの送信機と受信機の間隔を特定のファイアリングモードに対して最適化することができる。例えば、単極子ファイアリングに対して、器具本体３０８に沿った伝播を減衰させるための好適な送信機と受信機の間隔は、四極子ファイアリングモードに対する好適な間隔よりも長い。このように、本実施の形態では、送信機３０４は、単極子モードで発振するように形成され、送信機３０２は、四極子モード又は他の単極子モードで発振するように形成されている。しかしながら、概して、送信機３０２、３０４は、単極源、双極源又はこれらのいかなる組合せとして動作するように構成できる。送信機３０２、３０４が単極子又は多極子ファイアリングモードで作動するように構成することについてのより詳細な情報は、図７ｂ−７ｃに関連して以下に記載される。

スタビライザ３１２、３１４は、坑井の径に合わせて調整可能であり、ドリルビットの寸法及び穿孔状況に応じて変えることができる。音響計測器具３００へのスタビライザ３１２、３１４の配置は、送信機３０２、３０４及び受信機３０６を最大限中心へ集中できる。これにより、計測データに対する器具３００の影響が予測可能になり、処理において計上することができるため、すぐれた正確性と高品質の計測結果を収集することが可能になる。

図３に示すように、器具本体３０８に沿った受信機３０６の一方の側へ送信機３０２、３０４を配置することにより、減衰器３１０により反射した音波が受信機３０６へ到達するのを防止できる。より具体的には、送信機３０２、３０４から音波が伝播されたときに、減衰器３１０により反射された波は送信機３０２、３０４へ戻るように向かう。加えて、送信機３０２、３０４を受信機３０６の一方の側に配置することにより、送信機３０２、３０４を駆動するのに必要な電気接続が互いに近くに位置する。結果として、送信機３０２、３０４の電気接続も、受信機３０６の電気接続から離間し、これにより、送信機回路と、受信機回路とのクロストークの可能性を減らすことができる。また、送信機３０２、３０４を受信機３０６の一方の側に配置することにより、音響計測器具３００の長さを、他の例示的な音響計測器具の長さよりも短くできる。

図４は、減衰器３１０が送信機３０２、３０４の間に位置するように、送信機３０２、３０４を器具本体３０８の受信機３０６の両側に配置する例示的音響計測器具４００を示す。スタビライザ３１２、３１４の配置は、図３に示す配置と同様である。本実施の形態で用いられている複数の送信機３０２、３０４は、図３に関連して上記した利点と同様の利点を音響計測に与える。

しかしながら、送信機３０２、３０４を器具本体３１０の受信機３０６の両側へ配置し、減衰器３１０を二つの送信機３０２、３０４の間に配置することにより、送信機３０２、３０４と、受信機３０６との間の器具本体３０８の設計を各側において独立して最適化できる。例えば、坑井モードの伝播に影響を及ぼすことなく、送信機３０２、３０４の外径を、器具本体３０８の全直径よりも大きくできる。より具体的には、送信機３０２、３０４が受信機３０６の両側に配置されたため、送信機３０２の寸法は、送信機３０４から伝播され、受信機３０６により受信される音波に影響を及ぼさない。加えて、送信機３０２、３０４は、坑井地層へさらに近くすることができ、地層へより大きなエネルギーを放出できる。本実施の形態は、また、器具本体３０８の強度を増加できる。

図５ａは、送信機３０２を器具本体３０８の減衰器３１０に配置した、例示の音響計測器具５００を示す。本実施の形態では、送信機３０２の外径は、減衰器３１０の外径とほぼ等しい。送信機３０４及びスタビライザ３１２、３１４の配置は、図３の配置と同様である。また、本実施の形態で用いられる複数の送信機３０２、３０４は、図３に関連して上述した利点と同様の利点を与える。

しかしながら、図５ａに示す器具本体３０８の減衰器３１０への送信機３０２の配置は、送信機３０２が、送信機３０４により励起される坑井モードの特性に影響を及ぼさないことを確実にする。例えば、送信機３０２は、送信機３０４により発生させられた音波が、受信機３０６へ到達するのを妨げる。送信機３０２を減衰器３１０に配置することにより、さもなければ、送信機３０４により伝播された波の一部を、送信機３０４へ向かって戻るように反射するであろう送信機３０２における音響コントラストを防止する。本実施の形態では、一つの送信機３０２が減衰器３１０に配置されているが、さらなる送信機を減衰器３１０に配置し、特定の実施に対して、器具の構成を最適化できる。

音響計測器具５００は、また、送信機３０２、３０４への電線を収容する溝を器具本体３０８に有する。音響計測器具５００は、一の溝５１８しか示していないが、一又は二以上の溝５１８を器具本体３０８に形成してもよい。溝５１８は、器具本体３０８の外側と内側の間の電気接続を確実にし、送信機３０２、３０４及び受信機３０６から離れて位置する電位接続のための孔を可能にし、これにより、これらの孔の計測データへの影響を最小化する。電線を収容する溝及びさらなる構成要素に関するより詳細な情報は、米国特許第７３６７３９２号明細書に含まれており、その全てを参照してここに組み込まれる。

図５ｂは、図５ａの例示的な音響計測器具５００の断面図を示す。この図は、不要な音波モードの特性を減衰するように、減衰器３１０が、器具本体３０８の送信機３０４と受信機３０６との間に一体に形成された様子を示す。図５ａの例示の音響計測器具５００に関連してここでは減衰器３１０が示されているが、ここで記載されている、他の実施の形態の音響計測器具へ同様に形成できる。本実施の形態では、送信機３０２が減衰器３１０の隣接する溝５２０の間の空間に形成される。これに代えて、送信機３０２は減衰器３１０の溝５２０が形成される。本実施の形態では、音響コントラスト及びばね−質量効果をともなったカラー延長モードなどの、不要な音波モードの特性を減衰するため、減衰器３１０は、器具本体３０８の内側の複数の溝５２０により形成される。これに代えて、減衰器３１０を、器具本体３０８の外側の複数の溝５２０により形成することができる。図５ｂに示す溝５２０は等間隔であるが、これに代えて、溝５２０は非等間隔で形成することができる。くわえて、例えば、カラーアライバル（collar arrivals）などの不要な構造によって伝達される音響信号をより効果的に減衰することができるように、溝５２０を、例えば、上述のゆるい粒状材料などの音響減衰材料で充填してもよい。他のかわりの実施の形態では、四極子モード計測結果を収集するときには、器具本体３０８の溝なしで、減衰器３１０を形成してもよい。

例示の音響計測器具５００は、さらに、上記の送信機３０２、３０４を駆動するため、器具本体３０８内に収容された電気カートリッジを含む。加えて、電気カートリッジ５２２は、他の器具と通信できるととともに、受信機３０６からデータを取得し記録できる。

図６ａは、延長されたブロック６２４に結合された送信機３０４を有する例示の計測器具６００を示す。送信機３０２、減衰器３１０、受信機３０６及びスタビライザ３１２、３１４の配置は、図３の示す配置と同様である。しかしながら、これら構成要素の配置は、ここに記載された例示の音響計測器具の全てにおいて使用されていた配置と同様である。送信機３０４の駆動要素が坑井壁面の近くの位置で坑井を励起できるように、送信機３０４が延長ブロック６２４内に形成されるように、送信機３０４は延長ブロック６２４と結合されている。加えて、延長ブロック６２４を、土砂の流れを確かにするために、スタビライザ３１４のブレード６２６と整列させることができる。

図６ｂは、図６ａの例示的な音響計測器具６００の断面図を示す。本実施の形態では、坑井壁の近傍の位置で坑井を励起するため、送信機３０４は、角方向に間隔をあけた音響駆動要素６３０を用いて形成されており、各音響駆動要素６３０は、それぞれ、複数の延長ブロック６２４の対応する一つに結合されている。方位角方向に間隔をあけた複数の音響駆動要素６３０を用いた送信機３０２、３０４の形成に関するより詳細な情報は、以下、図７ｂ、７ｃに関連している。

図７ａ−７ｃは、音響計測器具７００の断面図である。図７ａは、音響計測器具７００の受信機３０６部分の断面図を示す。ここで示す受信機３０６は、例示の音響計測器具７００と関連しているが、ここに記載された全ての例示の音響計測器具と同様に形成してもよい。本実施の形態では、受信機３０６は、単極子又は多極子の波を得るように、器具本体３０８に形成されている。概して、送信された波の伝播及び記録に影響することなく、受信機３０６の外径は、器具本体３０８の外径と同じ又はそれよりも大きな径を有するように形成できる。受信機３０６は、複数の受信機アレイ７２６を用いて、器具本体３０８に形成できる。本実施の形態では、受信機３０６は、４つの受信機アレイ７２６を用いて、器具本体３０８に形成されている。これらの受信機アレイ７２６により記録された信号は、空間フーリエ変換を用いて、単極子、双極子、及び四極子モードへと分解される。他の実施の形態では、受信機３０４は、８つの受信機アレイ７２６を用いて、器具本体３０８に形成してもよい。８つの受信機アレイ７２６を用いて受信機３０４を形成することにより、十字線四極子計測結果をえることができる。さらに、８つの受信機アレイ７２６の使用は、例えば、単極子モードでの操作中における八極子モードなどの、高い次数の不要なモードを退ける可能性を増大させる。加えて、８つの受信機アレイ７２６の使用は、イメージングの適用に対して、高品質の角度分解能を確実にする。

図７ｂは、音響計測器具７００の送信機３０２部分の断面図を示す。送信機３０２は、ここでは、例示の音響計測器具７００と関連して示されているが、ここに記載された全ての例示の音響計測器具と同様に形成することができる。本実施の形態では、送信機３０２は、単極子音源として作動するように、器具本体３０８に形成されている。送信機３０２は、複数の音響駆動要素７２８を用いて形成することができ、各音響駆動要素は、別個、すなわち、別々であり、円筒の一部を形成している。本実施の形態では、送信機３０２は、二つの円筒形状の音響駆動要素７２８を用いて形成されており、音響駆動要素７２８のそれぞれは、半円形の輪郭を有し、器具本体３０８に設置されている。これらの二つの駆動要素７２８とともに送信機３０２を形成することにより、送信機３０２を単極子ファイアリングモードで作動できる。

送信機３０２は、単極子ファイアリングモードのためのものであるが、ある四極子モードが混合として励起することがありうる。受信信号における四極子混合を削減するため、円筒状音響駆動要素７２８は、器具本体３０８に設置され、図７ａの受信機アレイ７２６からオフセットしている。例えば、受信機３０２は、音響計測器具７００に整列され、受信機アレイ７２６に対して４５度の方位角のオフセットを有する。このように、受信機３０２を配向することにより、受信機アレイ７２６による送信機３０２から供給されるよりも高い次数のモードの受信が減る。方位角のオフセットは、四極子信号を受信機３０６で最小化させるため、特に、駆動要素７２８をオフセットすることにより、受信機３０６における単極子信号への四極子混合（contamination）を最小化する。

音響計測器具７００の代わりの実施の形態では、受信機アレイ７２６に対して４５度の方位角オフセットを維持しながら、送信機３０２は、図７ｃにおいて以下に記載された送信機３０４と同じ方法で、多極子音源として動作できるように形成されている。これにより、送信機３０２、３０４は、単極子、双極子、又は四極子モードを励起することができる。結果として、四極子モードのインライン及びクロスライン信号を受信機３０６により記録できる。

図７ｃは、音響計測器具７００の送信機３０４部分の断面図である。送信機３０４は、ここでは、例示の音響計測器具７００と関連して示されているが、ここに記載された、いかなる例示の音響計測器具と同様の方法で形成してもよい。本実施の形態では、送信機３０４は、器具本体３０８に形成され、多極子音源として作動する。送信機３０４は、複数の音響駆動要素７３０を用いて形成され、各音響駆動要素７３０は、別々、すなわち、別個であり、円筒の一部を形成する。本実施の形態では、送信機３０４は、４つの円筒形状の音響駆動要素７３０を用いて形成され、各音響駆動要素７３０は四分の一の円弧形状を有する。これら四つの駆動要素７３０を用いて送信機３０４を形成することにより、送信機３０４は、単極子ファイアリングモードで作動するための同じ極性、又は、四極子ファイアリングモードで作動するための交互に変化する交流極性の圧力波を発することができる。これらの円筒形状の音響駆動要素７３０は、器具本体３０８に設置され、図７ａの４つの受信機アレイ７２６と整列している。これにより、送信機３０４は、各受信機アレイ７２６と方位角が整列するように器具本体３０８に配向され、これにより、インライン四極子信号を記録することが可能になる。

これに代えて、受信機アレイ７２６の方位角方向の整列は維持したまま、送信機３０４は図７ｂで上述した送信機３０２と同じ方法で単極子として作動するようにすることができる。概していえば、送信機が高いモード純度での励起を実現するためには、単極子又は双極子といった、送信機ファイアリングモードのそれぞれは、典型的には、送信機が特定の形状であり、かつ／又は、例えば、チタン酸鉛や、チタン酸ジルコン酸鉛などの、特定のタイプの圧電材料から構成されることを必要とする。

Claims (27)

1. 坑井環境における音響計測のための装置であって、
   本体を有するダウンホールツールと、
   前記本体に配置された複数の送信機と、
   前記送信機から離間して前記本体に配置された受信機と、
   少なくとも一つの送信機と受信機との間に、前記本体と一体に形成された減衰器と、を備える装置。
2. 各送信機が、前記受信機から異なる軸方向距離だけ離間している、請求項１に記載された装置。
3. 前記減衰器は、複数の溝により形成される、請求項１に記載された装置。
4. さらに、前記溝内に音響減衰材料を備える、請求項３に記載された装置。
5. 前記減衰器は、少なくとも二つの音響送信機の間に配置されている、請求項１に記載された装置。
6. 前記送信機のうちの少なくとも一つは、前記本体の減衰器区分に配置されている、請求項１に記載された装置。
7. 前記送信機の外径は、前記本体の外径と、ほぼ等しい、請求項６に記載された装置。
8. 前記送信機の少なくとも二つは、前記本体の受信機の一方の側に配置されている、請求項１に記載された装置。
9. 少なくとも二つの送信機は、前記本体の前記受信機の両側に配置されている、請求項１に記載された装置。
10. 前記減衰器は、四極子計測のため、前記本体の溝がない、請求項９に記載された装置。
11. 前記複数の送信機の少なくとも一つは、本体全体の外径よりも、大きな外径を有する、請求項９に記載された装置。
12. 少なくとも一つの送信機は、単極子音源として作動するように構成され、送信機の他の一つは、単極子又は多極子音源として作動するように構成されている、請求項１に記載された装置。
13. 前記送信機のうちの少なくとも一つは、複数の音響駆動要素を備える、請求項１に記載された装置。
14. 前記複数の駆動要素のそれぞれは別個であって、前記複数の音響駆動要素により画成される円筒の一部を形成する、請求項１３に記載された装置。
15. 前記受信機は、複数の受信機アレイからなり、
    少なくとも一つの受信機アレイによる、少なくとも一つの送信機から供給されるのよりも、高い次数のモードの受信を減らすため、前記送信機のうちの少なくとも一つは、前記受信機アレイのうちの少なくとも一つに対して前記本体に配向されている、請求項１に記載された装置。
16. 少なくとも一つの送信機は、複数の音響駆動要素を備え、
    前記音響駆動要素のそれぞれは受信機アレイの夫々に対して、方位角方向にオフセットして、前記本体に配向されている、請求項１５に記載された装置。
17. 前記送信機の他の少なくとも一つは、第２の複数の音響駆動要素を有し、第２の複数の音響駆動要素のそれぞれは、前記受信機アレイのそれぞれと方位角方向に整列するように、前記本体に配向されている、請求項１６に記載された装置。
18. 少なくとも一つの送信機は、それぞれ四分割の円弧輪郭を有する４つの円筒形状の駆動要素からなり、
    他の送信機は、それぞれ半円弧輪郭を有する２つの円筒形状音響駆動要素からなり、
    前記４つの円筒形状要素は、前記受信アレイの夫々と、方位角方向に整列しており、
    前記２つの円筒形状要素は、前記受信アレイの夫々に対して、方位角方向にオフセットしている、請求項１７に記載された装置。
19. 前記複数の送信機は、それぞれ、四分割された円弧状輪郭を有する４つの円筒形状駆動要素からなり、前記４つの円筒形状要素は、前記受信アレイの夫々と方位角方向に整列している、請求項１７に記載された装置。
20. 前記送信機のうちの少なくとも一つは、方位角方向に離間した複数の音響駆動要素からなり、前記音響駆動要素のそれぞれは、前記本体の複数の延長ブロックにそれぞれ結合されている、請求項１に記載された装置。
21. さらに、前記本体に配置された少なくとも二つのスタビライザを備え、送信機、受信機及び減衰器が前記少なくとも二つのスタビライザの間に位置している、請求項１に記載された装置。
22. 前記少なくとも二つのスタビライザは、坑井の径に対して調整可能である、請求項２１に記載された装置。
23. 少なくとも一つの送信機のための電線を収容するためのハウジングに配置された溝を更に備える、請求項１に記載された装置。
24. 前記本体は、穿孔時記録器具の一部である、請求項１に記載された装置。
25. 坑井環境における音響計測のための装置であって、
    本体を有するダウンホールツールと、
    前記本体に配置された複数の送信機と、
    前記送信機から離間して前記本体に配置された受信機と、
    前記送信機の一つと受信機との間に、前記本体と一体に形成された溝と、を備え、前記送信機は、隣接する溝の間の空間を越えて配置されている、装置。
26. 前記送信機の他の一つは、前記溝の少なくとも一つを越えて配置されている、請求項２５に記載された装置。
27. 坑井環境における音響計測のための装置であって、
    本体を有するダウンホールツールと、
    前記本体に配置された複数の音響駆動要素と、
    前記送信機から離間して前記本体に配置された受信機アレイと、
    前記音響駆動要素と、前記受信機アレイとの間に、前記本体と一体に形成された減衰器と、を備える装置。

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