JP2015509301A - ウェル完全性測定のための拡張帯域幅トランスジューサ - Google Patents

Abstract

単一の臨界減衰された音響スタックが、ウェル完全性判定における特定の使用を有する音響送信機としてまたは音響トランスジューサとして、広い周波数範囲をもたらす。その臨界減衰された本音響スタックは、１００％帯域幅のそれぞれの中央周波数を各々が作り出して１つの音響要素の帯域幅または複数の音響要素の帯域幅を超える全帯域幅を有する音響スタックをもたらす、異なる中央周波数を提供し、２つの方式で励起される圧電セラミックなどの複数の積み重ねられた音響要素を使用する。励起の１つの方式は、音響要素のうちの１つのみにパルスを発することである。もう一方の方式は、第１の音響要素にパルスを発し、次いで、第１のパルスが第２の音響要素の面に到達するのに要する時間量と同等の遅延の後に第２の音響要素にパルスを発することである。その音響要素は、タングステンの臨界減衰されたバッキングにともに接合され、そのアセンブリは、好ましくはＰＥＥＫで作られた筐体内に保持される。その音響スタックは、主として、金属ケーシング壁厚のパルスエコー分析およびウェルのセメントボンド品質検出で使用される。

Description

[0001]関連出願の相互参照
[0002]本米国非仮特許出願は、２０１１年１２月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／５６９，８７２号、表題「Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｆｏｒ Ｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」の利益およびそれに対する優先権を主張し、その全内容を参照により本明細書に具体的に組み込む。
[0003][技術分野]
[0004]本発明は、音響測定デバイスの分野に関し、より詳細には、ウェル完全性(well integrity)を測定するためのデバイスに関する。

[0005][背景技術]
[0006]ウェルの形成中、穴が地面にドリルで開けられ、金属ケーシングがその穴に挿入される。その金属ケーシングが配置された後、セメントが使用されてその金属ケーシングとその穴の壁の間の領域を埋める。ウェルの完全性のためには、そのセメントが適切に矯正し、その金属ケーシングの外側とその穴の壁の間に丈夫なボンドを作り、そして、隙間および／または空洞部分がないこと − セメントボンド品質としてともに知られる − が重要である。セメントボンド品質に問題がある場合、ウェルの完全性は危うくされ、その問題は解決されなければならない。

[0007]さらに、ウェルの耐用期間中、セメントボンド品質ならびに金属ケーシングの劣化などの問題は、ウェルの完全性を危うくさせることがある。したがって、ウェル完全性の判定のためのウェル内での非破壊的測定を行うことによって、ウェル完全性を定期的に判定することが重要である。

[0008]前述のように、ウェル穴が掘られた後に、金属ケーシングまたは管がそのウェル穴内に配置される。そのウェルが深いほど、その金属ケーシングはより厚い必要がある。したがって、金属ケーシングの厚さは、それの深さに応じて決まる。金属ケーシングの厚さは、浅いウェルから深いウェルについて０．６３５ｃｍ（４分の１インチ）から３．１７５ｃｍ（１と４分の１インチ）の範囲にわたる。

[0009]現在の技術は、ウェル完全性の非破壊的判定の様々な様式を提供するが、圧力、および温度の考慮が、特に深いウェル（たとえば、−１８０℃および２０，０００ｐｓｉ）で、機能的におよび経済的にの両方で使用される技術のタイプを限定する。したがって、非破壊的音響技術は、ウェル完全性判定で好まれる。音響技術は、音響送信機またはトランスジューサ（要素）から金属ケーシングに向けて外向きに発せられる音響信号を使用し、その音響要素は、通常は、圧電要素である。音響受信機またはそのトランスジューサ、通常はやはり圧電要素、は、その金属ケーシングと、その金属ケーシングの後ろのセメントおよび／または領域と、そのウェル壁とから反射する音響信号を受信する。受信された音響信号は、次いで、金属ケーシング完全性およびセメントボンド品質、すなわちウェル完全性、を判定するために分析される。

[0010]ウェル完全性判定のために意味のあるデータを取得するために、その発せられる音響信号がその金属ケーシングの共振周波数であることが重要である。０．６３５ｃｍ（４分の１インチ）と３．１７５ｃｍ（１と４分の１インチ）の間の厚さの金属ケーシングで、その共振周波数は、２５０ｋＨｚと５００ｋＨｚの間である（図９を参照）。単一の圧電トランスジューサは小さい帯域幅を有するので、大きい２５０ｋＨｚから５００ｋＨｚ帯域幅を扱うためには、複数の圧電トランスジューサを有することが必要である。したがって、この広帯域を試し、扱うために、ウェル完全性ツールは、現在、各々異なる周波数の、複数の、単一要素圧電トランスジューサを有する。しかし、ウェルツールのスペースおよび費用の考慮により、圧電トランスジューサの数は制限される。そのようなものとして、現在のウェルツールは、かなり大きな範囲の金属ケーシングの厚さのウェル完全性分析を実行するために必要な広帯域を扱う能力を有さない。

[0011]したがって、必要とされるのは、特に、必ずしもそうとは限らないが、ウェル完全性測定のための、広帯域を扱う小型の単一の音響デバイスである。

[0012][発明の概要]
本願発明の一実施例は、例えば、ウェル完全性測定のための拡張帯域幅トランスジューサに関する。

[0013]本明細書で開示されるのは、特にダウンホール適用におけるパイプ壁厚およびセメントボンド品質の検出のために使用される、但しこれに限定されない、広い周波数範囲を生み出す音響送信機および音響トランスジューサの両方を可能にする単一の臨界8critically)減衰された音響送信機である。

[0014]本単一の臨界減衰された音響送信機は、ともにおよび単独で動作させられるときに、各々がそれぞれの中央周波数の１００％帯域幅を作り出し、それによって、各個々の音響要素の帯域幅または単にその複数の音響要素の帯域幅をはるかに超える全帯域幅を有する音響送信機を生み出す、異なる中央周波数を提供する、複数の積み重ねられた音響要素を使用する。

[0015]その音響要素は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、圧電セラミックなどの圧電要素である。その圧電セラミックは、音響信号を高度に弱めるまたは減衰する（少なくとも１５ＭＲｙｌインピーダンス）バッキングの上にともに接合されて、臨界減衰された音響送信機を形成する。そのアセンブリは、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）でできた、筐体内に保持される。そのＰＥＥＫ筐体は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、３０％ガラス充填されたＰＥＥＫ筐体である。

[0016]１つの形態で、その臨界減衰された音響送信機は、ＰＥＥＫ筐体内のタングステンバッキングに取り付けられた同じ中央周波数の２つの積み重ねられたおよび接合された圧電セラミックを有する。

[0017]第１の正極リードが、そのタングステンバッキングに接合された積み重ねられた圧電セラミックのうちの第１の圧電セラミックの側面に接続され、一方、第２の正極リードがその積み重ねられた圧電セラミックのうちの第２の圧電セラミックの側面に接続される。共通の負極リードが、その第１のおよび第２の圧電セラミックの間のインターフェースに置かれる。この接続方式は、広帯域を達成することを可能にする。それらの２つの圧電セラミックは、２つの方式で励起される。

[0018]１つの方式では、第１の圧電セラミック（そのバッキングに隣接する）が先ずパルスを発せられ、そして、第１の圧電セラミックからの音響パルスが第２の圧電セラミックの表面に到達するときに第２の圧電セラミックがパルスを発せられて、第１のおよび第２の圧電セラミックが互いに少し遅れてパルスを発せされ、第１のおよび第２の圧電セラミックの中央周波数の２分の１（１／２）と等しい第１の帯域幅をともに作り出す。もう１つの方式では、第１のおよび第２の圧電セラミックのうちの１つ（そして、好ましくは第１の圧電セラミック）が別個に点火されて、それの中央周波数の第２の帯域幅を作り出す。その第１のおよび第２の帯域幅は、ともに、全広帯域を提供する。

[0019]金属ケーシングが通常は０．６３５ｃｍ（４分の１インチ）と３．１７５ｃｍ（１と４分の１インチ）の間の厚さを有する、ダウンホール金属ケーシングおよびセメントボンド品質判定では、２つの圧電セラミック送信機は、各々、５００ｋＨｚ中央周波数を有する。第１の帯域幅（すなわち、ともに励起される２つの圧電セラミック送信機）は２５０ｋＨｚ中央周波数を有し、一方、第２の帯域幅（すなわち、別個に励起される第１の圧電セラミック送信機）は５００ｋＨｚ中央周波数を有する。第１のおよび第２の帯域幅の１００％帯域幅で、１００ｋＨｚから７５０ｋＨｚ帯域幅が達成される。

[0020]もう１つの形態で、その臨界減衰された音響送信機は、ＰＥＥＫ筐体内のタングステンバッキングに取り付けられた同中央周波数の４つの積み重ねられたおよび接合されたセラミックを有する。この形態では、複数の要素が同時に駆動されるとき、その複数の隣接する要素は、電圧を最小限にするために反転される。

[0021]この形態では、それらの４つの要素は、個々に、但し順次に、ペアで、またはともに順次に、駆動され得る。この接続方式は、広帯域を達成することを可能にする。

[0022]［図面の簡単な説明］

[0023]本原理による臨界減衰された音響トランスジューサの一実施形態の図である。 [0024]単数モードおよびデュアルモードの両方で励起された図１の臨界減衰された音響トランスジューサの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）グラフである。 [0025]図１の臨界減衰された音響トランスジューサによって提供されるものとしての送信される２５０ｋＨｚ音響信号対送信される５００ｋＨｚ音響信号の帯域幅比較グラフである。 [0026]図１の臨界減衰された音響トランスジューサによって提供されるものとしての２５０ｋＨｚ音響信号対５００ｋＨｚ音響信号の帰還信号感度グラフである。 [0027]掘削流体を有する金属ケースに入れられたおよびセメント接合されたウェル内で本臨界減衰された音響トランスジューサによって出される音響信号と、その金属ケーシングの内径からエコーされる音響信号、およびその金属ケーシングおよびセメントインターフェースの外径（ＯＤ）から反響される音響信号と、本臨界減衰された音響トランスジューサによって受信される音響エコーおよび音響反響信号とを示す図である。 [0028]循環する掘削流体を有する金属ケースに入れられたおよびセメント接合されたウェル内で本臨界減衰された音響トランスジューサによって出される音響信号を説明する図であり、その金属ケーシングの内径（ＩＤ）からエコーされ、本臨界減衰された音響トランスジューサによって受信される音響信号であって、すべての周波数内容を有するエコーされた音響信号の図である。 [0029]金属ケーシングの厚さ（ｔ）が、発せられる音響信号の周波数の２分の１（λ／２）と等しい − （すなわち、ｔ＝λ／２）ときに、その音響反響が、その反響に建設的に圧力を加えるために、ＯＤ／Ｃインターフェースを同相のままにし、その音響信号が本臨界減衰された音響トランスジューサによって受信される、循環する掘削流体を有する金属ケースに入れられたおよびセメント接合されたウェル内で本臨界減衰された音響送信機によって発せられる音響信号を説明する、その金属ケーシング外径およびセメントインターフェース（ＯＤ／Ｃインターフェース）からの音響反響の図である。 [0030]その金属ケーシングの厚さ（ｔ）が、発せられる音響信号の周波数の２分の１と等しくない − すなわちｔ＜λ／２＜ｔ − ときに、その音響反響が、その反響からの圧力を破壊的に減じるためにＯＤ／Ｃインターフェースを位相外れのままにし、その音響信号が本臨界減衰された音響トランスジューサによって受信される、循環する掘削流体を有する金属ケースに入れられたおよびセメント接合されたウェル内で本臨界減衰された音響送信機によって発せられる音響信号を説明する、その金属ケーシング外径およびセメントインターフェース（ＯＤ／Ｃインターフェース）からの音響反響の図である。 [0031]計算された共振周波数対金属ケーシングの厚さのグラフである。 [0032]本原理による臨界減衰された音響トランスジューサのもう１つの実施形態の図である。 [0033]本原理によるそれの様々なモードで励起されるときに図１０の臨界減衰された音響トランスジューサで達成される様々な周波数を示すグラフである。 [0034]本原理による様々な音響要素に励起するための電圧源に接続された図１０の臨界減衰された音響トランスジューサの図である。 [0035]単独でおよび順次に図１２の臨界減衰されたトランスジューサの要素に励起するためのタイミング図である。 [0036]ペアで図１２の臨界減衰されたトランスジューサの要素に励起するためのタイミング図である。 [0037]順次に、しかし、ともに、図１２の臨界減衰されたトランスジューサの要素に励起するためのタイミング図である。

[0038]［発明を実施するための形態］
[0039]図１を参照すると、本原理に従って適合された、一般に１０で指示される、臨界減衰された音響トランスジューサ（「音響トランスジューサ」）が図示される。音響トランスジューサ１０は、２つの（任意に、第１のおよび第２の）音響要素１４、１６を有する音響スタック１２を有する。２つのみの音響要素が示されるが、音響スタック１２は２つ以上の（すなわち、複数の）音響要素で構成され得ることを理解されたい。その音響要素は、好ましくは、圧電セラミックであるが、他のタイプの音響要素が使用され得る。音響スタック１２は、それの電気的接続に応じて、音響トランスジューサとして、または音響送信機のみとして、適合され得る。したがって、音響スタック１２およびそれの構成要素の記載は、指示された場合を除いて、トランスジューサ１０として、または、音響送信機として、本実施形態に適用可能である。

[0040]音響要素１４、１６は互いに接合されるが、音響スタック１２は、高度に音響的に吸収するまたは減衰するバッキング１８（すなわち、１５から２５ＭＲｙｌのインピーダンス）に取り付けられ、それらすべてが筐体２０内に配置される。具体的には、（第１の）音響要素１４の後ろ面は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、エポキシによって、バッキング１８の前面に取り付けられる。（第２の）音波要素１６の後ろ面は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、エポキシによって、第１の音波要素１４の前面に接合される。バッキング１８は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、タングステンで作られ、一方、筐体２０は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、ＰＥＥＫで作られる。しかし、他の適切な材料が、バッキング１８および筐体１２のために使用され得る。ＰＥＥＫ筐体では、０．０４８インチ（１．２２ｍｍ）の筐体面の厚さは、２５０ｋＨｚで８分の１波長（λ／８）であり、かつ５００ｋＨｚで４分の１波長（λ／４）であり、最適な波長伝送を提供すると実験的に判定された。筐体１２は、音響スタック１２からの音響信号が筐体１２の底部からパイプケーシングまたは壁に向けて発せられるように、音響トランスジューサ１０を受けるための開口部を有するダウンホールツール（図示せず）内に保持される。

[0041]音響トランスジューサとしておよび音響送信機のみとしての両方の場合で、正極接続２２が、好ましくは、前面またはその領域（筐体２０に隣接した）で第２の音響要素１６に接続される。加えて、正極接続２４が、好ましくは、後ろ面またはその領域（バッキング１８に隣接する）で第１の音響要素１４に接続される。さらに、第１のおよび第２の音響要素１４、１６の両方に共通の負極リード２６が、第１のおよび第２の音響要素１４、１６のインターフェース（すなわち、第１の音響要素１４の前面または領域、および、第２の音響要素１６の後ろ面または領域の）の間にまたはそのインターフェースに接続される。

[0042]音響送信機のみの実施形態で、正極接続２２、２４および負極接続２６は、音響スタック１２からの音響信号のみを送信するように、追加の回路（図示せず）に電気的に接続される（接続可能である）。この実施形態は、信号分析、および、それによるウェル完全性分析を実行するために、音響エコーおよび反響信号を取得するための別個の音響受信機（図示せず）を必要とすることになる。音響トランスジューサの実施形態では、正極接続２２、２４および負極接続２６は、音響信号を送信および受信するように、追加の回路（図示せず）に電気的に接続される（接続可能である）。この実施形態は、信号分析、および、それによるウェル完全性分析を実行するために音響エコーおよび反響信号を取得するための別個の音響受信機を必要としないことになる。

[0043]第１のおよび第２の音響要素１４、１６は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、圧電要素、より詳細には圧電セラミック、である。図示するように、第１のおよび第２の音響要素１４、１６は、同中央周波数を有する。同中央周波数の音響要素を使用することで、最も頑強な送信される音響信号を提供する。２つの５００ｋＨｚ音響要素で、１００ｋＨｚから７５０ｋＨｚ帯域幅が扱われる。これは、具体的には、ウェル完全性適用に適している。しかし、同じまたは他の適用のための他の帯域幅を扱うために、第１のおよび第２の音響要素１４、１６は、同中央周波数であるが５００ｋＨｚとは異なる周波数を各々有し得る。加えて、２つの音響要素の中央周波数は、所望の帯域幅に応じて異なり得る。２つの音響要素に関する前述の原理は、複数の音響要素に適用されることを理解されたい。

[0044]図１を参照すると、第１のおよび第２の音響要素１４、１６は、１つのみの音響要素（および、好ましくは第１の音響要素１４）に励起すること、ならびに、音響要素１４、１６の両方に励起することができるように、接続される／接続可能である。１つのみの音響要素が励起されるとき、５００ｋＨｚ音響信号が提供される。両方の音響要素が接続されるとき、２５０ｋＨｚ音響信号が提供され、したがって、両方に共通の負極リード２６と並列である（すなわち、正極リード２２および２４は、並列で接続される）。これは、広帯域を取得するための動作周波数の操作を可能にする。

[0045]広帯域が、二重のプロセスによって達成される。１つは、互いに少し遅れて第１のおよび第２の音響要素１４、１６に励起するまたは点火することである。具体的には、第１の音響要素（バッキング１８に最も近い音響要素）が、最初に点火される。時間遅延の後、第２の音響要素１６（バッキング１８から最も遠い）が、励起されるまたは点火される。第２の音響要素１６の点火の遅延のタイミングは、第１の音響要素１４から発せられた音響パルスまたは波動が第２の音響要素の前面に到達するときにそれが点火するように、計算される。その時間遅延の判定では、第２の音響要素１６を通る音の速さおよび第２の音響要素１６の幅が、考慮される必要がある。第１の音響要素１４から発せられた音響パルスまたは波動が第２の音響要素１６の面に到達するときに第２の音響要素１６に励起するまたは点火することによって、大きい音響スパイクが作成される。音響スパイクのＦＦＴ（図２）が示すように、その音響スパイクは、より大きな周波スペクトルを含む。音響要素１４、１６の両方は、ともに大きいスパイクを作り出して中央周波数約２５０ｋＨｚを達成する音響信号またはパルス（および、圧電セラミックの場合には超音波信号またはパルス）を発する。達成される帯域幅は、どのくらい速くおよび強くその音響信号がバッキング１８の方へおよびその中へ伝わり消散されるかによって決まる。１００％帯域幅が達成される場合、音響スタック１２の周波数範囲は約１００ｋＨｚから３００ｋＨｚである（図２のＦＦＴグラフを参照）。したがって、これは、個々の音響要素の中央周波数より低い帯域幅を獲得する。

[0046]もう１つは、音響要素１４、１６のうちの１つのみに励起することである。しかし、実験的研究から、最大帯域幅は、第１の音響要素１４に励起することでのみ達成される。したがって、リード２４のみが正極に接続され、一方、リード２６は負極に接続される。音響要素１４は、５００ｋＨｚの中央周波数を達成する音響信号またはパルス（および、圧電セラミックの場合には超音波信号またはパルス）を発する。やはり、達成される帯域幅は、どのくらい速くおよび強くその音響信号がバッキング１８の方へおよびその中へ伝わり、消散されるかによって決まる。１００％帯域幅が達成される場合、単一の音響要素１４の周波数範囲は、約２５０ｋＨｚから７５０ｋＨｚである（曲線３２が単一の５００ｋＨｚ帯域幅であり、曲線３１がデュアル要素２５０ｋＨｚ帯域幅であり、そして、曲線３３が結合された帯域幅である、図２のＦＦＴグラフ３０を参照）。したがって、この二重の方式は、積み重ねられた音響要素の中央周波数よりも高い帯域幅を獲得する。この場合の底部音響要素１６は、それは電気的に接続されていないので、音響媒体としてのみ機能する。２つの音響要素１４、１６の音響インピーダンスは同じであるので、底部音響要素１６は、その音響波動を単に通過させる。

[0047]音響トランスジューサ１０に励起する一方の方式またはプロセスを音響トランスジューサ１０に励起する他方の方式またはプロセスと結合させることで、２つの５００ｋＨｚ圧電セラミックを使用し、１００ｋＨｚの低さから最大５００ｋＨｚまでの周波数の範囲の帯域幅を達成する（曲線３６が２５０ｋＨｚ帯域幅であり、曲線３７が５００ｋＨｚ帯域幅であり、かつ、曲線３８が累積帯域幅である、図３のグラフ３５を参照）。ウェル完全性分析では、分析される金属ケーシングまたはパイプの厚さは知られているので、音響トランスジューサ１０の一方のまたは他方の励起するプロセス（前記で概説した）が使用されて適切な周波数が発せられる。その金属ケーシングまたはパイプの厚さが知られていない場合には、両方のプロセスまたは方式が使用され、発せられた音響信号の結果として生じるエコー／反響が分析される。図４のグラフ４０は、２５０ｋＨｚ信号および５００ｋＨｚ信号についての返される音響信号感度の差を示す。図示するように、曲線４１によって表される２５０ｋＨｚの返される（エコーおよび／または反響）音響信号の感度は、曲線４２によって表される５００ｋＨｚ信号よりも強い。しかし、２５０ｋＨｚ音響信号の発せられるパルス長は、より大きい。

[0048]金属ケーシングまたはパイプのあらゆる厚さは固有共振周波数を有するので、金属ケーシングまたはパイプ壁厚が検知される。たとえば、１．９０５ｃｍ（３／４インチ）の厚さの金属ケーシングまたはパイプは、約１５３ｋＨｚの共振周波数を有することになり、但し、ｔ（秒）＝［パイプの厚さ（１．９０５ｃｍ（３／４インチ））×２］／スチール内の音の速さ（５．８５ｍｍ／マイクロ秒）、および周波数＝１／ｔである。帰還信号のＦＦＴを使用し、任意の金属ケーシング／パイプ壁の周波数を求め、それによって壁厚を求めることができる。

[0049]したがって、ウェル完全性分析では、金属ケーシングまたはパイプの完全性または厚さは、前述の壁厚を示す金属ケーシングまたはパイプの共振周波数を確定することによって、判定される。音響信号の帰還共振周波数は、壁厚を指示する（図９のグラフ７０を参照）。

[0050]音響スタック１２が音響送信機である場合、１００ｋＨｚから７５０ｋＨｚ帯域幅内で音響エコーまたは反響を受信するために、同様の構造の音響受信機が存在することが必要とされる。加えて、図示されないが、音響トランスジューサ１０は、１つまたは複数の音響信号を発するために音響トランスジューサに正しく適切に励起し、返される１つまたは複数の音響信号を受信するために、適切な電子機器および／またはコンピューティングに接続される。

[0051]図５を参照すると、ウェル完全性のために金属ケーシングの厚さおよびセメントボンド品質を分析する方式の図が示される。音響トランスジューサ１０（通常はダウンホールツール上、図示せず）は、ウェルの掘削流体５０内に、そのウェルの金属ケーシング５２に近接して図示される。セメント５４は、セメント５４に隣接するウェルまたは穴壁５１を有し、ケーシング５２に接合されて示される。

[0052]そのトランスジューサは、最も左の下向きの矢印によって表されるように金属ケーシング５２に向けられた音響信号またはパルス５６を発する。最も左の上向きの矢印によって表される音響エコーは、ケーシング５２の内径（ＩＤ）から反射される。その音響信号の送信からその音響エコーの受信までの送信時間が、計算される。元のケーシングの厚さは個々の深さについて知られているので、通過時間の変化はケーシングの厚さの変化を指示した。これは、内部腐食検出をもたらす。

[0053]最も左の上向きの矢印に隣接する上向きの矢印によって表される反響５８は、金属ケーシング５２の内径と金属ケーシング５２の外径（ＯＤ）の間のインターフェースから発せられて返される。その反響の強さは、最も左の下向きの矢印に隣接する下向きの矢印によって表されるようにセメント５４によって弱められるまたは減衰される。これらの反響は、重ね合わせて建設的におよび破壊的に音響反響信号を作り出す。時間とともに、その共振は次第に低くなる − すなわち、その信号強度は消滅する。どのくらい速くその信号が弱まるかが、そのケーシングによいセメントボンドが存在するかどうかを判定する。音響信号がケーシング壁に伝わり、当たり、次いで反射して戻るのに要する時間、ならびに、その信号の弱化が、どのくらい上手くセメントがそのケーシングに接合されているかを示す。金属ケーシング直径は個々の深さについて知られているはずであるので、金属ケーシングの共振は、壁腐食を検出する。そのケーシングＩＤエコーの周波数内容、そのケーシングＯＤ反響の周波数内容、および、そのケーシングＯＤ反響の振幅は、ケーシングの厚さ判定およびセメントボンド品質について検出される。

[0054]図６を参照すると、循環する掘削流体５０ａを有するウェル完全性のための金属ケーシングの厚さおよびセメントボンド品質の分析の方式の図が示される。その音響トランスジューサ（通常はダウンホールツール上、図示せず）は、ウェルの循環する掘削流体５０ａ内で、そのウェルの金属ケーシング５２ａに近接して、音響信号を発するように図示される（曲線の、下向きの矢印５６ａによって表される）。セメント５４ａは、セメント５４ａに隣接するウェルまたは穴壁５１ａを有し、ケーシング５２ａに接合されて示される。そのケーシングの内径（ＩＤ）からの音響エコー（曲線の、上向きの矢印５８ａによって表される）は、完全な周波数内容を有する（掘削流体、ケーシングおよびセメントにおける波長が異なることを示す：すなわち、λ_{ｓｔｅｅｌ}≒４λ_{ｆｌｕｉｄ}≒２λ_{ｃｅｍｅｎｔ}）。

[0055]図７を参照すると、循環する掘削流体５０ｂを有するウェル完全性のための金属ケーシングの厚さおよびセメントボンド品質を分析する方式の図が示される。その音響トランスジューサ（通常はダウンホールツール上、図示せず）は、ウェルの循環する掘削流体５０ｂ内で、そのウェルの金属ケーシング５２ｂに近接して、音響信号（曲線の、下向きの矢印５６ｂによって表される）を発して示される。セメント５４ｂは、セメント５４ｂに隣接するウェルまたは穴壁５１ｂを有し、ケーシング５２ｂと接合されて示される。５つの曲線の上向きの矢印によって表される、ケーシング／セメントインターフェースからの音響反響は、同位相で発し、それによって、金属ケーシング５２ｂの厚さ（ｔ）が発せられる音響信号（λ／２）の波長の２分の１と等しい − （すなわち、ｔ＝λ／２）ときにその音響反響に建設的に圧力を加える。

[0056]図８を参照すると、循環する掘削流体５０ｃを有するウェル完全性のための金属ケーシングの厚さおよびセメントボンド品質を分析する方式の図が示される。その音響トランスジューサ（通常は、ダウンホールツール上、図示せず）は、ウェルの循環する掘削流体５０ｃ内で、およびそのウェルの金属ケーシング５２ｃに近接して、音響信号（曲線の、下向きの矢印５６ｃによって表される）を発して示される。セメント５４ｃは、セメント５４ｃに隣接するウェルまたは穴壁５１ｃを有し、ケーシング５２ｃに接合されて示される。３つの曲線の上向きの矢印によって表される、ケーシング／セメントインターフェースからの音響反響は、位相不一致で発し、金属ケーシングの厚さ（ｔ）が発せられる音響信号の周波数の２分の１と等しくない − すなわち、ｔ＜λ／２＜ｔ − ときに、破壊的に干渉し、それによって圧力を取り消すおよび／または減じる。

[0057]図１０を参照すると、本原理に従って適合された、概して８０で指示された、臨界減衰された音響トランスジューサ（「音響トランスジューサ」）のもう１つの実施形態が示されてある。音響トランスジューサ８０は、４つの音響要素８３、８４、８５、８６を有する音響スタック８８を有する。それらの音響要素は、好ましくは、圧電セラミックであるが、他のタイプの音響要素が使用され得る。音響スタック８８は、それの電気的接続に応じて、音響トランスジューサとして、または音響送信機のみとして、適合され得る。したがって、音響スタック８８およびそれの構成要素の記述は、指示される場合を除いて、トランスジューサ８０としての、または音響送信機としての、実施形態に適用可能である。

[0058]音響要素８３、８４、８５、８６は各々接合され、一方、音響スタック８８は、高度に音響的に吸収するまたは減衰するバッキング８７（すなわち、１５から２５ＭＲｙｌのインピーダンス）に取り付けられ、それらすべてが筐体８９内に配置される。それらの要素は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、エポキシによって、互いに、そしてバッキング８７の前面に、取り付けられる。バッキング８７は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、タングステンで作られ、一方、筐体８９は、好ましくは、必ずしもそうとは限らないが、ＰＥＥＫで作られる。しかし、他の適切な材料が、バッキング８７および筐体８９のために使用され得る。筐体８９は、音響スタック８８からの音響信号が筐体８９の底部からパイプケーシングまたは壁に向けて発せられ得るように、音響トランスジューサ８０を受けるための開口部を有するダウンホールツール（図示せず）内に保持される。好ましい実施形態の寸法は、図中に提供される。

[0059]図１１は、各要素が３００ｋＨｚおよび０．５０８ｃｍ（０．２インチ）の厚さである、図１０の臨界減衰されたトランスジューサ８０の４つの要素の周波数のグラフを示す。以下に記載するように、４つの要素８３、８４、８５、８６は、駆動されて様々な帯域幅（ＢＷ）を提供する。曲線１０１は、すべての要素の駆動／励起を介する７５ｋＨｚの中央周波数を示す。曲線１０２は、それらの要素の隣接するトリプレットの駆動／励起を介する１００ｋＨｚの中央周波数を示す。曲線１０３は、それらの要素の隣接するペアの駆動／励起を介する１５０ｋＨｚの中央周波数を示す。曲線１０４は、単一の要素の駆動／励起を介する３００ｋＨｚの中央周波数を示す。曲線１０５は、４つのモードすべてが使用されるときのそのシステムの全帯域幅を示す。多素子デバイスは、パルスエコー適用例の３つの利点を有する。１つの利点は、要素を別個に駆動することで、強度および帯域幅の両方を増やすことによって出力信号内容を増やすことができることがでる。もう１つの利点は、要素が駆動されてそのデバイスのバッキングでのまたは周辺の負の干渉を増やして残余ノイズを減らすことができることである。第３の利点は、戻る信号が、相関技法がトランスジューサの側面または後ろから来る音を拒否することを可能にし、知れられている時間オフセットで各要素で聞かれることになることである。

[0060]図１２は、その要素を駆動／励起するための１つまたは複数の電圧源に接続された臨界減衰されたトランスジューサ８０を示す。４つの要素８３（１）、８４（２）、８５（３）、８６（４）は、リードＡ〜Ｅを介して適用される電圧によってパルスを発せられる。図１２に示すように、隣接する要素の極性は、複数の要素が同時に駆動されるときに、電圧を最小限するために反転される。

[0061]図１３は、各要素が個々におよび順次に（すなわち、４つの要素が順次に）駆動されるタイミング図１１０を示す。本プロセスは、パルス１１１によって時間０で駆動される要素８３で開始する。次のパルス１１２は、要素８３からの音声が要素８４の前面に到達するときに開始する。第３のパルス１１３は、要素８３および８４からの音声が要素８５の前面に到達するときに開始する。第４のパルス１１４は、要素８３、８４および８５からの音声が要素８６の前面に到達するときに開始する。これは、高周波数内容および信号対ノイズ比を最適化する。

[0062]図１４は、要素ペアが順次に駆動される（すなわち、順次的なペアにされた要素）タイミング図１２０を示す。パルス１２１、１２２は、図示するように電圧接続を介して第１のおよび第２の要素８３、８４を駆動する。パルス１２３、１２４は、図示するように電圧接続を介して要素８５、８６を駆動する。

[0063]図１５は、要素がすべて一緒に最後に駆動されて周波数内容を最大にするタイミング図１３０を示す。それにより、パルス１３１は、時間０にそしてずっと要素８３を駆動する。パルス１３２が、次いで、パルス１３１の開始の後の時間にそしてずっと要素８４を駆動する。パルス１３３が、次いで、パルス１３２の開始の後の時間にそしてずっと要素８５を駆動する。パルス１３４が、次いで、パルス１３３の開始の後の時間にそしてずっと最後まで要素８６を駆動する。

[0064]本システムがウェル完全性分析に関連して説明されたが、本音響トランスジューサは、具体的にはパイプ内のおよびその周囲の両方の、すべての方式および用途のパイピング、流動体／空気の流れの検出および流量測定など、他のものの非破壊的テストおよび／または分析のために使用することができる。しかし、流動体または空気検出／測定の場合、２つの音響トランスジューサが必要とされることになる。

[0065]本発明の様々な詳細は、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなしに変更され得ることが、当業者には理解されよう。さらに、前述は、例示のみを目的とし、限定を目的とせず、本発明は、本特許請求の範囲によって定義される。

[0066]本発明は、前述の図面および説明で詳細に図示および説明されたが、これらは例示的であり、限定的な性質ではないと考えられるべきであり、その例示的実施形態のみが図示および記載されてあり、以下の特許請求の範囲内にあるすべての変更および修正は保護されることが求められることが理解されよう。

[0067]本明細書で引用される任意のおよびすべての参考文献は、それらが本明細書で使用される方法論または技法の背景を補足、説明、提供するまたはその方法論または技法を教示する限りにおいて、その開示を参照により本明細書に組み込む。

Claims (15)

1. 筐体(housing)と、
   前記筐体内に配置され、高い音響(acoustic)減衰(attenuation)特性(properties)を有する材料(material)で形成された、バッキング(backing)と、
   前記筐体内に配置され、前記バッキングに取り付けられた、第１の音響要素(element)と、
   前記筐体内に配置され、前記第１の音響要素に取り付けられた(mounted)、第２の音響要素と、
   前記バッキングに隣接する前記第１の音響要素の面に接続された、第１の正極(positive)導線(electrical lead)と、
   前記バッキングの遠位の(distal)前記第１の音響要素の第２の面におよび前記第１の音響要素の前記第２の面に隣接する前記第２の音響要素の面に接続された、負極導線と、
   前記第２の音響要素の前記面の遠位の前記第２の音響要素の第２の面に接続された、第２の正極導線と
   を備える、音響送信機。
2. 前記第１のおよび第２の音響要素が、互いに接合された(bonded)、請求項１に記載の音響送信機。
3. 前記第１のおよび第２の音響要素が、エポキシによって互いに接合された、請求項２に記載の音響送信機。
4. 前記第１のおよび第２の音響要素が、圧電セラミックである、請求項１に記載の音響送信機。
5. 前記第１のおよび第２の音響要素が、同一(same)中央周波数を有する、請求項１に記載の音響送信機。
6. 前記筐体が、ＰＥＥＫで作られた、請求項１に記載の音響送信機。
7. 前記バッキングが、タングステンで作られた、請求項１に記載の音響送信機。
8. その中で前記第１のおよび第２の音響要素のうちの１つのみが励起される(energized)、そして、その中で前記第１の音響要素が励起され、次いで、前記第２の音響要素が前記第１の音響要素の励起の後に励起される、前記第１のまたは第２の音響要素のいずれかの前記中央周波数の前記帯域幅より大きい帯域幅を提供するために、前記第１のおよび第２の音響要素が、２つの方式で前記第１のおよび第２の音響要素を励起するためのソース(a source)に接続可能な(connectable)、請求項５に記載の音響送信機。
9. 前記第１の音響要素からの音響信号が前記第２の音響要素の前面(front face)に到達した後に、前記第２の音響要素が励起される、請求項８に記載の音響送信機。
10. ＰＥＥＫ筐体と、
    前記筐体内に配置され、高い音響減衰特性を有する材料で形成された、バッキングと、
    前記筐体内に位置付けられ、前記バッキングに取り付けられた、第１の圧電セラミックと、
    前記筐体内に位置付けられ、前記第１の圧電セラミックに接合された、第２の圧電セラミックと、
    前記第１のおよび第２の圧電セラミックの隣接する面に接続された、それらの面の間の負極導線と、
    前記バッキングに隣接する面に接続された、第１の正極導線と、
    前記第１の圧電セラミックの遠位の前記第２の圧電セラミックの面に接続された、第２の正極導線と
    を備え、
    第１の方式が先ず前記第１の圧電セラミックを励起し、次いで、前記第１の圧電セラミックの励起から時間遅延の後に前記第２の圧電セラミックを励起する２つの方式(two manners)で、前記第１のおよび第２の圧電セラミックが励起される、音響送信機。
11. 前記第１の圧電セラミックの励起からの音響パルスが前記第１の圧電セラミックの遠位の前記第２の圧電セラミックの前記面に到達した後に、前記第２の圧電セラミックが励起される、請求項１０に記載の音響送信機。
12. 前記第１のおよび第２の圧電セラミックが、互いに接合された、請求項１０に記載の音響送信機。
13. 前記第１のおよび第２の圧電セラミックが、エポキシによって互いに接合された、請求項１２に記載の音響送信機。
14. 前記第１のおよび第２の圧電セラミックが、前記同中央周波数を有する、請求項１０に記載の音響送信機。
15. 前記バッキングが、タングステンで作られた、請求項１０に記載の音響送信機。

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