JP3839376B2 - ボアホール流体音響特性の自己較正超音波現場測定方法 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は油井の検層および監視に関する。より詳しくは、本発明は、ボアホール流体の音響特性の決定に関する。
【0002】
【従来の技術】
地表下の地層から石油やガスを回収するために、ドリルストリングの端に取り付けられたドリルビットを回転させることによって坑井またはボアホールが掘削される。ドリルストリングは、そのダウンホール端にドリルビットを、そしてドリルビットの上にボトムホールアセンブリ(BHA)を有するドリルパイプまたはコイルドチューブを含む。坑井は、チューブを回転させてドリルビットを回転させることによって、および/またはBHAに配設された泥水モータによって掘削される。一般に「泥水」と呼ばれる掘削または坑井流体が、坑井の掘削の間に圧力下で地上供給源からチューブに供給される。掘削流体は、泥水モータ(使用される場合)を動作させ、ドリルビット底部で発射される。掘削流体はその後、ドリルストリングと坑井の壁または内面との間の環状空間(アニュラー)を通じて地上に戻る。地上に戻る流体は、岩石を崩壊させ坑井を掘削する際に、ドリルビットによって生じる岩石片(掘屑)を運んでくる。
【0003】
地層圧より掘削流体柱圧が大きい場合、坑井は負荷過剰(overburdened)になる。負荷過剰になった坑井では、掘削流体の一部が地層に侵入し、それにより、掘削流体の損失を生じ、坑井の周囲に浸入領域を形成する。地層への流体の損失は低減することが望ましい。なぜなら、閉じ込められた炭化水素の存在および回収可能性を決定するために必要となる、処女地層の性質を測定しにくくするからである。アンダーバランス掘削においては、流体柱圧は地層圧より小さく、それにより地層流体が坑井に入る原因となる。この侵入は掘削流体の効果を低減させ得る。
【0004】
現在の掘削活動の大部分は、地表下の地層からより大量の炭化水素を回収し、かつまた、これまで回収不可能であった炭化水素を回収するために、傾斜ボアホール(傾斜および水平ボアホール)および/または高深度のボアホールを伴う。そうしたボアホールの掘削は、掘削流体が複雑な物理的および化学的性質を有することを要求する。掘削流体は、水または合成物質といった主材料より構成され、さらに特定用途に応じて多くの添加物を含み得る。掘削工事の成功の重大な要素は、特に深い坑井、水平坑井および厳しい条件(高温高圧)の環境における坑井を掘削するための掘削流体の性能である。こうした環境は、掘削流体に多くの性能項目における卓越さを要求する。掘削オペレータおよび泥水エンジニアは、その掘削工事に最も適した掘削流体のタイプを決定した後、粘度、密度、ゲル化またはチキソトロピー的性質、機械的安定性、化学的安定性、潤滑特性、掘削中に掘屑を地上に運搬できる能力、流体循環が停止した時に当該掘屑を浮遊したまま保持できる能力、環境的調和、掘削構成要素への非腐食作用、適正な静水圧の付与、ドリルビットおよびBHA構成要素への冷却および潤滑効果といった所要の性能特性を得るために、各種添加物を利用する。
【0005】
安定したボアホールは一般に、掘削流体の化学的および/または機械的バランスの結果である。機械的安定性に関して、オーバーバーデンの坑井において掘削流体により行使される静水圧は通常、地層圧を上回るように設計される。これは一般に、地上で流体密度を制御することによって制御される。掘削中の流体密度を決定するために、オペレータは、事前の知識、応力下の岩石の挙動およびそれらの関連する変形特性、地層の傾斜、流体の速度、掘削している地層のタイプなどを考慮する。しかし、流体の実際の密度は、ダウンホールで連続的に測定されず、それはオペレータが前提とする密度と異なり得る。さらに、ダウンホールでの流体密度は動的であり、すなわちそれは、ダウンホールの温度および圧力を含む実際の掘削およびボアホール状態に依存して絶えず変化する。従って、掘削工事の間にダウンホールでの坑井流体の密度を決定し、所要の密度を得るために、かつ/または当該測定に基づき他の補正措置を取るために、地上で掘削流体の組成を変更することが望ましい。
【0006】
上述のように、掘削流体の重要な機能は、掘削が進行する際に坑井から掘屑を輸送することである。ドリルビットがドリル切屑を生じた場合、それはビット下から除去されなければならない。掘屑がビット下に残ったままでいると、それはさらに小片に切削され、食込み速度、ビット寿命および泥水の性質に悪影響を及ぼす。アニュラー速度は、掘屑がアップホールに移動するように、スリップ速度より大きい必要がある。掘屑の大きさ、形状および重量は、掘削流体中の沈降速度を制御するために必要な粘度を決定する。低い剪断速度粘度は掘削流体の運搬能力を抑制する。懸濁流体の密度は、掘屑に対し関係する浮力効果を及ぼす。密度の増加は通常、掘削流体の運搬能力に対し好ましい影響を有する。水平坑井において、流体特性および流体速度が適正でない場合、重い掘屑は坑井の底部側に沈降し得る。掘屑はウォッシュアウトゾーンに蓄積する可能性もある。ダウンホールでの流体の密度を決定することにより、掘屑が坑井のいずれかの場所に沈降または蓄積しているかの指標が得られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
石油・ガス産業において、坑井の掘削の間における多様なダウンホールパラメータを決定するために、各種の装置およびセンサが使用されている。そうしたツールは一般に、掘削時測定(MWD(measurement-while-drilling))ツールと呼ばれる。産業の一般的重視は、地層、ツールおよびボアホールの物理的状態に関するパラメータを決定するためにMWDツールを使用することであった。掘削流体に関する測定はほとんど行われない。掘削流体に関連する測定の大部分は、地上に戻ってくる流体から収集される試料を分析することによって地上で行われる。そのような測定に基づき補正措置が取られるが、それは多くの場合、長時間を要し、ダウンホールでの実際の流体特性を表していない。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述の問題の大部分は、ボアホール流体音響特性の自己較正超音波現場測定方法によって対処できる。本発明の好適な実施形態において、ボアホール流体特性を決定する方法は、(i) ボアホール流体内で音響信号を生成することと、 (ii) 流体からの音響信号の反射を受信することと、(iii) 音響信号の残響部分を分析して特性を決定することとを含む。残響部分の分析は、理論的残響信号を取得することと、ボアホール流体特性を決定するために測定された残響信号を理論的残響信号と関係づけることとを含み得る。
【0009】
本発明の別の好適な実施形態において、ボアホール流体特性のリアルタイム推定を行うように適応された処理装置は、入力端子および処理部を含む。入力端子は、反射された音波に対応するデータ信号を受信する。処理部は、データ信号を第1反射部分および共振部分に分離し、第1反射部分の応答を畳込んで(convolve)理論的残響応答を得る。
【0010】
本発明のさらに別の好適な実施形態において、ボアホール流体特性を測定するためのツールは、ボディ、音響変換器および金属円板を含む。ボディは変換器および金属円板を収容する。ボアホール流体は、ボディの開口を通じてツールに入り、変換器と金属円板との間に流れ込みそこで測定されて、ツールを出る。
【0011】
従って、本発明は、従来の装置の様々な問題を克服可能にする特徴および利点の組合せよりなる。上述の様々な特徴は、他の特徴とともに、以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明を読み、添付図面を参照することによって、当業者には容易に明白となるであろう。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1Aは、ツール水浸ダウンホールの概略図を示す。ツール10、流体抜き穴20、地層30および坑井流体210が図示されている。流体抜き穴20は、坑井流体210がツール10を出入りするための手段となる。ツール10内にある間に、坑井流体210はその音響特性を測定される。
【0013】
図2は、音響測定構成要素を図示しているツールの断面図である。流体抜き穴20が位置するツール10の内側に、音響変換器200および金属円板220がある。図示の通り、坑井流体210は、ツール10に入り、音響変換器200と金属円板220との間を流れ、ツール10を出る。
【0014】
図3は、ダウンホール音波に関する音波の経路および金属円板残響を例示している。音響変換器200、坑井流体210および金属円板220が示されている。坑井流体210および円板220は各々、それぞれZmおよびZsで表されるそれ自身のインピーダンスを有する。また、第1反射部分260、円板残響部分271〜276および、同一坑井流体における円板を通る透過波部分280、282、284および286を含む、音響信号250も示されている。
【0015】
坑井流体の反射係数を測定するために、音響変換器200は、好ましくは約500kHzの特性周波数を備える音響信号250を送出し、その後、受信モードに切り換わる。インパルス周波数は、好ましくは、円板の予想共振周波数に設定される。音響信号250は、坑井流体210内を進行し、円板220にぶつかる。インパルスのエネルギーの大部分は反射波260として反射され変換器に戻るが、少量の信号は波280として円板に入る。坑井流体210が水である時、反射波形は初期インパルスの約93%の振幅を有する。円板に入った信号部分は、波の残響271〜276によって例示されるように、円板/流体境界面と円板/ツール境界面との間で前後に反射される。個々の反射時に、一部のエネルギーは、音響インピーダンスコントラストに応じて境界面を透過し、変換器に向けて戻るかまたはツール中に出るかいずれかに方向づけられる。円板内の信号は、このようにして、以下の式1に従って円板の外側の材料の音響インピーダンスに直接依存する速度で急速に散逸する。
【0016】
R1=(Z1−Z2)/(Z1+Z2) (1)
【0017】
ここで、R1は反射係数、Z1およびZ2は当該境界面での物質のインピーダンスである。好適な実施形態において、金属円板の厚さは変換器信号の共振波長の半分に設定される。
【0018】
ここで受信器または変換器として機能する音響変換器200は、大きな初期反射に続き指数関数的に減衰する残響信号よりなる波形を示す。図4は、音響変換器200で受信される測定された音響波形を例示する。時間t=0が音響送信器における音波の生成の時間であれば、時間Ttranは遷移時間(transit time)(円板に向かいトランシーバへ戻るその音波の往復の時間)を表す。距離が一定であるので、遷移時間Ttranは流体の音響速度の指標を与える。また、図4には時間偏差(Time Offset) Toffおよび共振窓(Resonance Window)Twinも図示されており、これらの意義の両方については後述する。
【0019】
図5は、その和が図4の波形を与える、第1反射および残響の両方の個別の波形を例示している。変換器によって受信される波形は、個々の残響波形を伴う初期反射波形の和であり、ここで個々の残響は円板の幅に比例する量だけ遅延される。さらに、音響変換器は完全な送信器ではないので、それは音波の送信時に多少「リンギングする」("ringing")。この変換器の「リンギング」もまた、検出波形に含まれ、本発明によって考慮され得る。
【0020】
図6は、好適な実施形態に従って製作された装置を例示する。図6には、音響変換器200、ADC(アナログ/デジタルコンバータ)500、開始時刻およびゲインを記録するダウンホールプロセッサ510、波形圧縮チップ520、マルチプレクサ530が示されている。波形圧縮チップ520は、代替的にプロセッサの一部とすることができる。また、マルチプレクサ530およびテレメトリケーブル545と接続されたダウンホール送信器540も示されている。ここで図7を説明すれば、地上には、アップホール受信器550、デマルチプレクサ560、ツール情報をデータログ595のためにアップホールプロセッサ590に搬送する伝送線564、ゲインおよび開始時刻情報をアップホールプロセッサ590に搬送する伝送線570、および波形圧縮解除チップ580が存在する。圧縮解除チップ580にはアップホールプロセッサ590が接続されている。アップホールプロセッサ590は、ログ595に適したデータを生成する。
【0021】
ここで両図6および図7を説明すれば、音響変換器200は、金属円板の反射および残響のデータを収集する。この音響波形はADC(アナログ/デジタルコンバータ)500によってディジタル化されダウンホールプロセッサ510に送信され、ダウンホールプロセッサ510はディジタル化された音響信号から第1反射を検出する。ダウンホールプロセッサ510はその後、関連する開始時刻および遷移時間を演算する。全波形データは伝送線545の帯域幅容量より大きいこともあるので、好ましくはディジタル圧縮520が実行される。適当な圧縮は、データをなめらかに変化させるために好適に働く、ウェーブレットおよびADPCM(適応微分パルスコード変調)(Adaptive Differential Code Modulation) 手法を含む。ディジタル圧縮チップ520からの圧縮波形はその後、マルチプレクサ530において他のツール情報と多重化される。ダウンホール送信器540はこの多重化データを地上に送る。データを地上に送ることによって、より高速で高性能な装置によって処理することができる。
【0022】
この多重化データは、アップホール受信器550によって受信され、デマルチプレクサ560によって各構成部分に分離される。波形圧縮解除チップ580は、再構成された波形をアップホールプロセッサ590に供給し、これは開始時刻の情報も受信する。坑井流体の反射係数を決定すると、アップホールプロセッサ590は、位置情報と組合せてログ595を作成する。
【0023】
図6は本発明の一般的方法を例示する。ブロック600において、観測された波形が処理のためにアップホールに供給される。或る実施形態では、波形をスタックすることが望ましい場合もある(ブロック610)。波形の遷移時間(Ttran)が、時間窓ToffおよびTwinとともに、ブロック620で得られる。遷移時間の定義は、図4に関連して上述されており、プロセッサ510の第1反射検出器部分によって容易に測定され得る。次いでToffおよびTwinが、信頼できる残響情報を含んでいる時間窓Twinを得るように選定される。初期反射の受信の時間から測定されるToffは、初期反射を包含する時間窓である。そのため、その持続時間は、音響変換器200によって送信された音響インパルスの持続時間および掘削流体特性に依存する。Toffはまた、好ましくは、音響変換器の実際の欠点のために導入される誤差(変換器の「リンギング」)も見込んでおり、従ってToffは、理論的に選定した場合よりも若干長いこともある。それでもやはり、Toffは約15マイクロ秒である。TwinはToffに対置され、Twinは第1反射によって汚染されていない残響情報を含んでいるので、関連のある時間窓である。Twinの持続時間は、ツール10において生起するノイズおよび残響が、受信された円板残響波形を信頼できないものにさせないように、十分に短くなければならない。それでもやはり、十分なデータを含んでいる信頼できる波の列が得られるように、Twinは好ましくは少なくとも4つの残響を含む。従って、Twinは約12.8マイクロ秒である。
【0024】
ツール較正は次のようにして行い得る。最初に、Toffによって定義された反射波形がDFT(離散フーリエ変換)を用いて周波数ドメインに変換される。図8に戻って、Toffにより定義されるような第1反射部分260に適用される適切なモデリングにより、Twinに含まれる残響波形がどのように見えるはずであるかの理論的予測が与えられる。これを行うために、ブロック630において、第1反射信号は高速フーリエ変換(FFT)によってその周波数ドメイン均等値に変換される。これはS(ω)を生じる。モデリングが周波数ドメインにおいて行われるので、振幅および位相の誤差は排除される。この誤差の排除は数学的処理を簡素化する(それゆえ、より高速な処理が得られる)。
【0025】
代替的に、精度を高めるために、個々の第1反射を個別に変換する代わりに、複数のファイヤリングからの第1反射が最初に平均化され、その結果がFFT処理によりブロック630において周波数ドメインに変換されてS(ω)を生じる。最も信頼できる第1反射平均は、先行の第1反射の移動平均から所定の偏差の上または下に振幅を有する第1反射を切り捨てることによって得ることができる。
【0026】
ブロック640において、残響波の理論的予測は、残響信号x(t)の周波数ドメインバージョンX(ω)を得るために、周波数ドメインの第1反射信号S(ω)を周波数ドメイン理論的応答式R(ω)により乗算する(時間ドメインにおける畳込み(convolution))ことによって得られる。平らな金属円板と仮定すれば、理論的周波数ドメイン応答は以下の式2によってモデル化され得る。
【0027】
【0028】
ここで、
R(ω):角周波数ωの反射係数
Zm、Zs:それぞれ泥水および金属円板のインピーダンス
Vs:金属円板における音の速度
CT:金属円板の厚さ
【0029】
上記の式は、変換器が円板に垂直な(すなわち直角の)入射を有する波を生成することを前提とする。Vs、ZsおよびCTは、金属円板の基本的な物理的性質として極めて精確に測定できる。
【0030】
ブロック640において、周波数ドメイン信号X(ω)は、逆高速フーリエ変換(IFFT)を用いて時間ドメインに変換し戻される。それによって、ブロック640は、時間ドメインにおける観測された初期反射波形に関する理論的残響応答x(t)を与える。この理論的残響応答は、ボアホール流体インピーダンスZmの関数でもある。これらの結果が時間ドメインに変換されると、理論的応答と受信応答との間に関係が確立される。次に、ブロック650においてボアホール流体特性を決定するための方法が使用される。
【0031】
ブロック640における理論的応答および測定された応答を関連づけるための2つの実施形態は、1)曲線のあてはめ法、および2)非線形波形反転法を含む。両方法とも、式2に基づく理論的波形応答を演算するものである。しかし、曲線のあてはめ法は、反転法より少ない理論的モデリングステップを使用する。
【0032】
図9は、曲線のあてはめ法を例示しており、測定式が決定される。初期事項として、関心のある残響窓Twinについて、残響波形振幅(Sw)の和の自然対数は、坑井流体インピーダンスとともに線形に変化する。すなわち、坑井流体インピーダンスとSwとの間の線形関係は以下のように表現され得る。
【0033】
Zm= A+B ln (Sw) (3)
【0034】
ここで、Swは残響波形振幅の和であり、以下の形を有する。
【0035】
【0036】
小文字のx(t)はTwinに含まれる残響波形におけるあらゆる任意の点での振幅である。
【0037】
曲線のあてはめ法の場合、ブロック640はブロック700〜760を含む。ブロック700において、初期理論的流体インピーダンスZmが選択される。ブロック710では、理論的応答R(ω)が式2に従って計算される。ブロック720において、第1反射はブロック710で得られた理論的応答により畳込まれる (convolved)。ブロック730において、逆高速フーリエ変換(IFFT)が実行されて理論的残響波形を得る。次に、理論的残響波形振幅の和Swがブロック740において決定される。ブロック750で、理論的応答R(ω)および残響波形振幅の和Swが記憶される。ブロック760において、付加的なデータが必要であるかどうかが決定される。付加的なデータが必要な場合、別の理論的流体インピーダンスZmがブロック700で選択されるであろう。この線形関係の係数を決定するために、ステップ700〜760が、異なる仮定の流体インピーダンスZmについて少なくとも2回繰り返される。各回ごとに、結果として得られる和Swが計算される。これらの重複点(Sw,Zm)から、係数A,Bは、ブロック770で最小2乗曲線のあてはめを用いて決定することができる。その関係により、測定インピーダンスZmは、ブロック780において式4を用いて観測されたSwから決定できる。
【0038】
最後に、ブロック650(図8)において、Swが式3に代入され、坑井流体インピーダンスZmが決定される。流体の音響速度はブロック650でも計算され得る。変換器と円板との間の離間が既知であるので、速度は測定された遷移時間Ttranから計算できる。インピーダンス(ρ)および速度(v)から、流体密度(Zm)は、関係式Zm=ρvにより計算することができる。
【0039】
上述の通り、第2の実施形態では、理論的残響と測定された残響との間の関係を決定するために非線形波形反転がブロック640において使用され得る。波形反転法は、上述の曲線のあてはめ法より低速であるが、振幅および位相の両方を用いて全体の残響波形窓を一致させるので、より正確な結果を生じる。結果として、密度および減衰を含む多くの流体の音響特性が同時に計算できる。好ましい方法はLevenberg-Marquardt(レーベンベルグ・マルカート)法を使用する。概要については、参照により本願に導入される、以下の文献を参照されたい。W. Press et al, Levenberg-Marquardt Method, p. 542 (Numerical Recipes in C, 1988)。
【0040】
図10に示された非線形波形反転の実施形態では、速度、密度および減衰といった流体特性は、最初にブロック800で推定される。ブロック810において、理論的応答R(ω)が式2に従って計算される。ブロック820で、第1反射がブロック710で得られた理論的応答により畳込まれる(convolved)。ブロック830で、推定残響波形を得るために逆高速フーリエ変換(IFFT)が実行される。ブロック840で、推定波形と測定波形との間の誤差が決定される。誤差は式5に従って計算される。
【0041】
【0042】
ブロック850において、ブロック840で演算された誤差は所定の許容差と比較される。演算された誤差が所定の許容差より大きければ、ブロック800において、別の推定がLevenberg-Marquardt法を用いて実行される。このサイクルは、演算誤差が所定の許容差より小さくなるまで繰り返される。演算誤差が所定の許容差より小さい場合、推定された流体速度、密度および減衰は測定された特性としてブロック860において受け入れられる。
【0043】
本発明の好適な実施形態を図示説明したが、その変更は、本発明の教示または精神を逸脱することなく当業者によって行うことができる。ここに記載された実施形態は例示的なものであるにすぎず、限定的なものではない。例えば、本発明は坑井の掘削中の使用について記載したが、完成および生産の際においても使用することができる。システムおよび装置の多くの変更および変形が本発明の範囲内で可能である。従って、保護の範囲は、ここに記載された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲は特許請求の範囲の主題のあらゆる等価物を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】好適な実施形態におけるツールを示す概略図である。
【図2】図1の構成要素部分を例示する部分図である。
【図3】波形の反射および残響を示す図である。
【図4】受信音響波形を示すグラフである。
【図5】図4の構成要素部分を例示する線図である。
【図6】好適な実施形態に従って構築された地表下システムの線図である。
【図7】好適な実施形態に従って構築された地上システムの線図である。
【図8】好適な実施形態の全体のフローチャートである。
【図9】好適な実施形態のフローチャートである。
【図10】好適な実施形態のフローチャートである。
【符号の説明】
10 ツール
210 坑井流体
200 音響変換器
220 金属円板
200 音響トランシーバ
260 第1反射部分
271〜276 円板残響部分
250 音響信号
510 ダウンホールプロセッサ
590 アップホールプロセッサ
【発明の属する技術分野】
本発明は油井の検層および監視に関する。より詳しくは、本発明は、ボアホール流体の音響特性の決定に関する。
【0002】
【従来の技術】
地表下の地層から石油やガスを回収するために、ドリルストリングの端に取り付けられたドリルビットを回転させることによって坑井またはボアホールが掘削される。ドリルストリングは、そのダウンホール端にドリルビットを、そしてドリルビットの上にボトムホールアセンブリ(BHA)を有するドリルパイプまたはコイルドチューブを含む。坑井は、チューブを回転させてドリルビットを回転させることによって、および/またはBHAに配設された泥水モータによって掘削される。一般に「泥水」と呼ばれる掘削または坑井流体が、坑井の掘削の間に圧力下で地上供給源からチューブに供給される。掘削流体は、泥水モータ(使用される場合)を動作させ、ドリルビット底部で発射される。掘削流体はその後、ドリルストリングと坑井の壁または内面との間の環状空間(アニュラー)を通じて地上に戻る。地上に戻る流体は、岩石を崩壊させ坑井を掘削する際に、ドリルビットによって生じる岩石片(掘屑)を運んでくる。
【0003】
地層圧より掘削流体柱圧が大きい場合、坑井は負荷過剰(overburdened)になる。負荷過剰になった坑井では、掘削流体の一部が地層に侵入し、それにより、掘削流体の損失を生じ、坑井の周囲に浸入領域を形成する。地層への流体の損失は低減することが望ましい。なぜなら、閉じ込められた炭化水素の存在および回収可能性を決定するために必要となる、処女地層の性質を測定しにくくするからである。アンダーバランス掘削においては、流体柱圧は地層圧より小さく、それにより地層流体が坑井に入る原因となる。この侵入は掘削流体の効果を低減させ得る。
【0004】
現在の掘削活動の大部分は、地表下の地層からより大量の炭化水素を回収し、かつまた、これまで回収不可能であった炭化水素を回収するために、傾斜ボアホール(傾斜および水平ボアホール)および/または高深度のボアホールを伴う。そうしたボアホールの掘削は、掘削流体が複雑な物理的および化学的性質を有することを要求する。掘削流体は、水または合成物質といった主材料より構成され、さらに特定用途に応じて多くの添加物を含み得る。掘削工事の成功の重大な要素は、特に深い坑井、水平坑井および厳しい条件(高温高圧)の環境における坑井を掘削するための掘削流体の性能である。こうした環境は、掘削流体に多くの性能項目における卓越さを要求する。掘削オペレータおよび泥水エンジニアは、その掘削工事に最も適した掘削流体のタイプを決定した後、粘度、密度、ゲル化またはチキソトロピー的性質、機械的安定性、化学的安定性、潤滑特性、掘削中に掘屑を地上に運搬できる能力、流体循環が停止した時に当該掘屑を浮遊したまま保持できる能力、環境的調和、掘削構成要素への非腐食作用、適正な静水圧の付与、ドリルビットおよびBHA構成要素への冷却および潤滑効果といった所要の性能特性を得るために、各種添加物を利用する。
【0005】
安定したボアホールは一般に、掘削流体の化学的および/または機械的バランスの結果である。機械的安定性に関して、オーバーバーデンの坑井において掘削流体により行使される静水圧は通常、地層圧を上回るように設計される。これは一般に、地上で流体密度を制御することによって制御される。掘削中の流体密度を決定するために、オペレータは、事前の知識、応力下の岩石の挙動およびそれらの関連する変形特性、地層の傾斜、流体の速度、掘削している地層のタイプなどを考慮する。しかし、流体の実際の密度は、ダウンホールで連続的に測定されず、それはオペレータが前提とする密度と異なり得る。さらに、ダウンホールでの流体密度は動的であり、すなわちそれは、ダウンホールの温度および圧力を含む実際の掘削およびボアホール状態に依存して絶えず変化する。従って、掘削工事の間にダウンホールでの坑井流体の密度を決定し、所要の密度を得るために、かつ/または当該測定に基づき他の補正措置を取るために、地上で掘削流体の組成を変更することが望ましい。
【0006】
上述のように、掘削流体の重要な機能は、掘削が進行する際に坑井から掘屑を輸送することである。ドリルビットがドリル切屑を生じた場合、それはビット下から除去されなければならない。掘屑がビット下に残ったままでいると、それはさらに小片に切削され、食込み速度、ビット寿命および泥水の性質に悪影響を及ぼす。アニュラー速度は、掘屑がアップホールに移動するように、スリップ速度より大きい必要がある。掘屑の大きさ、形状および重量は、掘削流体中の沈降速度を制御するために必要な粘度を決定する。低い剪断速度粘度は掘削流体の運搬能力を抑制する。懸濁流体の密度は、掘屑に対し関係する浮力効果を及ぼす。密度の増加は通常、掘削流体の運搬能力に対し好ましい影響を有する。水平坑井において、流体特性および流体速度が適正でない場合、重い掘屑は坑井の底部側に沈降し得る。掘屑はウォッシュアウトゾーンに蓄積する可能性もある。ダウンホールでの流体の密度を決定することにより、掘屑が坑井のいずれかの場所に沈降または蓄積しているかの指標が得られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
石油・ガス産業において、坑井の掘削の間における多様なダウンホールパラメータを決定するために、各種の装置およびセンサが使用されている。そうしたツールは一般に、掘削時測定(MWD(measurement-while-drilling))ツールと呼ばれる。産業の一般的重視は、地層、ツールおよびボアホールの物理的状態に関するパラメータを決定するためにMWDツールを使用することであった。掘削流体に関する測定はほとんど行われない。掘削流体に関連する測定の大部分は、地上に戻ってくる流体から収集される試料を分析することによって地上で行われる。そのような測定に基づき補正措置が取られるが、それは多くの場合、長時間を要し、ダウンホールでの実際の流体特性を表していない。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述の問題の大部分は、ボアホール流体音響特性の自己較正超音波現場測定方法によって対処できる。本発明の好適な実施形態において、ボアホール流体特性を決定する方法は、(i) ボアホール流体内で音響信号を生成することと、 (ii) 流体からの音響信号の反射を受信することと、(iii) 音響信号の残響部分を分析して特性を決定することとを含む。残響部分の分析は、理論的残響信号を取得することと、ボアホール流体特性を決定するために測定された残響信号を理論的残響信号と関係づけることとを含み得る。
【0009】
本発明の別の好適な実施形態において、ボアホール流体特性のリアルタイム推定を行うように適応された処理装置は、入力端子および処理部を含む。入力端子は、反射された音波に対応するデータ信号を受信する。処理部は、データ信号を第1反射部分および共振部分に分離し、第1反射部分の応答を畳込んで(convolve)理論的残響応答を得る。
【0010】
本発明のさらに別の好適な実施形態において、ボアホール流体特性を測定するためのツールは、ボディ、音響変換器および金属円板を含む。ボディは変換器および金属円板を収容する。ボアホール流体は、ボディの開口を通じてツールに入り、変換器と金属円板との間に流れ込みそこで測定されて、ツールを出る。
【0011】
従って、本発明は、従来の装置の様々な問題を克服可能にする特徴および利点の組合せよりなる。上述の様々な特徴は、他の特徴とともに、以下の本発明の好適な実施形態の詳細な説明を読み、添付図面を参照することによって、当業者には容易に明白となるであろう。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1Aは、ツール水浸ダウンホールの概略図を示す。ツール10、流体抜き穴20、地層30および坑井流体210が図示されている。流体抜き穴20は、坑井流体210がツール10を出入りするための手段となる。ツール10内にある間に、坑井流体210はその音響特性を測定される。
【0013】
図2は、音響測定構成要素を図示しているツールの断面図である。流体抜き穴20が位置するツール10の内側に、音響変換器200および金属円板220がある。図示の通り、坑井流体210は、ツール10に入り、音響変換器200と金属円板220との間を流れ、ツール10を出る。
【0014】
図3は、ダウンホール音波に関する音波の経路および金属円板残響を例示している。音響変換器200、坑井流体210および金属円板220が示されている。坑井流体210および円板220は各々、それぞれZmおよびZsで表されるそれ自身のインピーダンスを有する。また、第1反射部分260、円板残響部分271〜276および、同一坑井流体における円板を通る透過波部分280、282、284および286を含む、音響信号250も示されている。
【0015】
坑井流体の反射係数を測定するために、音響変換器200は、好ましくは約500kHzの特性周波数を備える音響信号250を送出し、その後、受信モードに切り換わる。インパルス周波数は、好ましくは、円板の予想共振周波数に設定される。音響信号250は、坑井流体210内を進行し、円板220にぶつかる。インパルスのエネルギーの大部分は反射波260として反射され変換器に戻るが、少量の信号は波280として円板に入る。坑井流体210が水である時、反射波形は初期インパルスの約93%の振幅を有する。円板に入った信号部分は、波の残響271〜276によって例示されるように、円板/流体境界面と円板/ツール境界面との間で前後に反射される。個々の反射時に、一部のエネルギーは、音響インピーダンスコントラストに応じて境界面を透過し、変換器に向けて戻るかまたはツール中に出るかいずれかに方向づけられる。円板内の信号は、このようにして、以下の式1に従って円板の外側の材料の音響インピーダンスに直接依存する速度で急速に散逸する。
【0016】
R1=(Z1−Z2)/(Z1+Z2) (1)
【0017】
ここで、R1は反射係数、Z1およびZ2は当該境界面での物質のインピーダンスである。好適な実施形態において、金属円板の厚さは変換器信号の共振波長の半分に設定される。
【0018】
ここで受信器または変換器として機能する音響変換器200は、大きな初期反射に続き指数関数的に減衰する残響信号よりなる波形を示す。図4は、音響変換器200で受信される測定された音響波形を例示する。時間t=0が音響送信器における音波の生成の時間であれば、時間Ttranは遷移時間(transit time)(円板に向かいトランシーバへ戻るその音波の往復の時間)を表す。距離が一定であるので、遷移時間Ttranは流体の音響速度の指標を与える。また、図4には時間偏差(Time Offset) Toffおよび共振窓(Resonance Window)Twinも図示されており、これらの意義の両方については後述する。
【0019】
図5は、その和が図4の波形を与える、第1反射および残響の両方の個別の波形を例示している。変換器によって受信される波形は、個々の残響波形を伴う初期反射波形の和であり、ここで個々の残響は円板の幅に比例する量だけ遅延される。さらに、音響変換器は完全な送信器ではないので、それは音波の送信時に多少「リンギングする」("ringing")。この変換器の「リンギング」もまた、検出波形に含まれ、本発明によって考慮され得る。
【0020】
図6は、好適な実施形態に従って製作された装置を例示する。図6には、音響変換器200、ADC(アナログ/デジタルコンバータ)500、開始時刻およびゲインを記録するダウンホールプロセッサ510、波形圧縮チップ520、マルチプレクサ530が示されている。波形圧縮チップ520は、代替的にプロセッサの一部とすることができる。また、マルチプレクサ530およびテレメトリケーブル545と接続されたダウンホール送信器540も示されている。ここで図7を説明すれば、地上には、アップホール受信器550、デマルチプレクサ560、ツール情報をデータログ595のためにアップホールプロセッサ590に搬送する伝送線564、ゲインおよび開始時刻情報をアップホールプロセッサ590に搬送する伝送線570、および波形圧縮解除チップ580が存在する。圧縮解除チップ580にはアップホールプロセッサ590が接続されている。アップホールプロセッサ590は、ログ595に適したデータを生成する。
【0021】
ここで両図6および図7を説明すれば、音響変換器200は、金属円板の反射および残響のデータを収集する。この音響波形はADC(アナログ/デジタルコンバータ)500によってディジタル化されダウンホールプロセッサ510に送信され、ダウンホールプロセッサ510はディジタル化された音響信号から第1反射を検出する。ダウンホールプロセッサ510はその後、関連する開始時刻および遷移時間を演算する。全波形データは伝送線545の帯域幅容量より大きいこともあるので、好ましくはディジタル圧縮520が実行される。適当な圧縮は、データをなめらかに変化させるために好適に働く、ウェーブレットおよびADPCM(適応微分パルスコード変調)(Adaptive Differential Code Modulation) 手法を含む。ディジタル圧縮チップ520からの圧縮波形はその後、マルチプレクサ530において他のツール情報と多重化される。ダウンホール送信器540はこの多重化データを地上に送る。データを地上に送ることによって、より高速で高性能な装置によって処理することができる。
【0022】
この多重化データは、アップホール受信器550によって受信され、デマルチプレクサ560によって各構成部分に分離される。波形圧縮解除チップ580は、再構成された波形をアップホールプロセッサ590に供給し、これは開始時刻の情報も受信する。坑井流体の反射係数を決定すると、アップホールプロセッサ590は、位置情報と組合せてログ595を作成する。
【0023】
図6は本発明の一般的方法を例示する。ブロック600において、観測された波形が処理のためにアップホールに供給される。或る実施形態では、波形をスタックすることが望ましい場合もある(ブロック610)。波形の遷移時間(Ttran)が、時間窓ToffおよびTwinとともに、ブロック620で得られる。遷移時間の定義は、図4に関連して上述されており、プロセッサ510の第1反射検出器部分によって容易に測定され得る。次いでToffおよびTwinが、信頼できる残響情報を含んでいる時間窓Twinを得るように選定される。初期反射の受信の時間から測定されるToffは、初期反射を包含する時間窓である。そのため、その持続時間は、音響変換器200によって送信された音響インパルスの持続時間および掘削流体特性に依存する。Toffはまた、好ましくは、音響変換器の実際の欠点のために導入される誤差(変換器の「リンギング」)も見込んでおり、従ってToffは、理論的に選定した場合よりも若干長いこともある。それでもやはり、Toffは約15マイクロ秒である。TwinはToffに対置され、Twinは第1反射によって汚染されていない残響情報を含んでいるので、関連のある時間窓である。Twinの持続時間は、ツール10において生起するノイズおよび残響が、受信された円板残響波形を信頼できないものにさせないように、十分に短くなければならない。それでもやはり、十分なデータを含んでいる信頼できる波の列が得られるように、Twinは好ましくは少なくとも4つの残響を含む。従って、Twinは約12.8マイクロ秒である。
【0024】
ツール較正は次のようにして行い得る。最初に、Toffによって定義された反射波形がDFT(離散フーリエ変換)を用いて周波数ドメインに変換される。図8に戻って、Toffにより定義されるような第1反射部分260に適用される適切なモデリングにより、Twinに含まれる残響波形がどのように見えるはずであるかの理論的予測が与えられる。これを行うために、ブロック630において、第1反射信号は高速フーリエ変換(FFT)によってその周波数ドメイン均等値に変換される。これはS(ω)を生じる。モデリングが周波数ドメインにおいて行われるので、振幅および位相の誤差は排除される。この誤差の排除は数学的処理を簡素化する(それゆえ、より高速な処理が得られる)。
【0025】
代替的に、精度を高めるために、個々の第1反射を個別に変換する代わりに、複数のファイヤリングからの第1反射が最初に平均化され、その結果がFFT処理によりブロック630において周波数ドメインに変換されてS(ω)を生じる。最も信頼できる第1反射平均は、先行の第1反射の移動平均から所定の偏差の上または下に振幅を有する第1反射を切り捨てることによって得ることができる。
【0026】
ブロック640において、残響波の理論的予測は、残響信号x(t)の周波数ドメインバージョンX(ω)を得るために、周波数ドメインの第1反射信号S(ω)を周波数ドメイン理論的応答式R(ω)により乗算する(時間ドメインにおける畳込み(convolution))ことによって得られる。平らな金属円板と仮定すれば、理論的周波数ドメイン応答は以下の式2によってモデル化され得る。
【0027】
【0028】
ここで、
R(ω):角周波数ωの反射係数
Zm、Zs:それぞれ泥水および金属円板のインピーダンス
Vs:金属円板における音の速度
CT:金属円板の厚さ
【0029】
上記の式は、変換器が円板に垂直な(すなわち直角の)入射を有する波を生成することを前提とする。Vs、ZsおよびCTは、金属円板の基本的な物理的性質として極めて精確に測定できる。
【0030】
ブロック640において、周波数ドメイン信号X(ω)は、逆高速フーリエ変換(IFFT)を用いて時間ドメインに変換し戻される。それによって、ブロック640は、時間ドメインにおける観測された初期反射波形に関する理論的残響応答x(t)を与える。この理論的残響応答は、ボアホール流体インピーダンスZmの関数でもある。これらの結果が時間ドメインに変換されると、理論的応答と受信応答との間に関係が確立される。次に、ブロック650においてボアホール流体特性を決定するための方法が使用される。
【0031】
ブロック640における理論的応答および測定された応答を関連づけるための2つの実施形態は、1)曲線のあてはめ法、および2)非線形波形反転法を含む。両方法とも、式2に基づく理論的波形応答を演算するものである。しかし、曲線のあてはめ法は、反転法より少ない理論的モデリングステップを使用する。
【0032】
図9は、曲線のあてはめ法を例示しており、測定式が決定される。初期事項として、関心のある残響窓Twinについて、残響波形振幅(Sw)の和の自然対数は、坑井流体インピーダンスとともに線形に変化する。すなわち、坑井流体インピーダンスとSwとの間の線形関係は以下のように表現され得る。
【0033】
Zm= A+B ln (Sw) (3)
【0034】
ここで、Swは残響波形振幅の和であり、以下の形を有する。
【0035】
【0036】
小文字のx(t)はTwinに含まれる残響波形におけるあらゆる任意の点での振幅である。
【0037】
曲線のあてはめ法の場合、ブロック640はブロック700〜760を含む。ブロック700において、初期理論的流体インピーダンスZmが選択される。ブロック710では、理論的応答R(ω)が式2に従って計算される。ブロック720において、第1反射はブロック710で得られた理論的応答により畳込まれる (convolved)。ブロック730において、逆高速フーリエ変換(IFFT)が実行されて理論的残響波形を得る。次に、理論的残響波形振幅の和Swがブロック740において決定される。ブロック750で、理論的応答R(ω)および残響波形振幅の和Swが記憶される。ブロック760において、付加的なデータが必要であるかどうかが決定される。付加的なデータが必要な場合、別の理論的流体インピーダンスZmがブロック700で選択されるであろう。この線形関係の係数を決定するために、ステップ700〜760が、異なる仮定の流体インピーダンスZmについて少なくとも2回繰り返される。各回ごとに、結果として得られる和Swが計算される。これらの重複点(Sw,Zm)から、係数A,Bは、ブロック770で最小2乗曲線のあてはめを用いて決定することができる。その関係により、測定インピーダンスZmは、ブロック780において式4を用いて観測されたSwから決定できる。
【0038】
最後に、ブロック650(図8)において、Swが式3に代入され、坑井流体インピーダンスZmが決定される。流体の音響速度はブロック650でも計算され得る。変換器と円板との間の離間が既知であるので、速度は測定された遷移時間Ttranから計算できる。インピーダンス(ρ)および速度(v)から、流体密度(Zm)は、関係式Zm=ρvにより計算することができる。
【0039】
上述の通り、第2の実施形態では、理論的残響と測定された残響との間の関係を決定するために非線形波形反転がブロック640において使用され得る。波形反転法は、上述の曲線のあてはめ法より低速であるが、振幅および位相の両方を用いて全体の残響波形窓を一致させるので、より正確な結果を生じる。結果として、密度および減衰を含む多くの流体の音響特性が同時に計算できる。好ましい方法はLevenberg-Marquardt(レーベンベルグ・マルカート)法を使用する。概要については、参照により本願に導入される、以下の文献を参照されたい。W. Press et al, Levenberg-Marquardt Method, p. 542 (Numerical Recipes in C, 1988)。
【0040】
図10に示された非線形波形反転の実施形態では、速度、密度および減衰といった流体特性は、最初にブロック800で推定される。ブロック810において、理論的応答R(ω)が式2に従って計算される。ブロック820で、第1反射がブロック710で得られた理論的応答により畳込まれる(convolved)。ブロック830で、推定残響波形を得るために逆高速フーリエ変換(IFFT)が実行される。ブロック840で、推定波形と測定波形との間の誤差が決定される。誤差は式5に従って計算される。
【0041】
【0042】
ブロック850において、ブロック840で演算された誤差は所定の許容差と比較される。演算された誤差が所定の許容差より大きければ、ブロック800において、別の推定がLevenberg-Marquardt法を用いて実行される。このサイクルは、演算誤差が所定の許容差より小さくなるまで繰り返される。演算誤差が所定の許容差より小さい場合、推定された流体速度、密度および減衰は測定された特性としてブロック860において受け入れられる。
【0043】
本発明の好適な実施形態を図示説明したが、その変更は、本発明の教示または精神を逸脱することなく当業者によって行うことができる。ここに記載された実施形態は例示的なものであるにすぎず、限定的なものではない。例えば、本発明は坑井の掘削中の使用について記載したが、完成および生産の際においても使用することができる。システムおよび装置の多くの変更および変形が本発明の範囲内で可能である。従って、保護の範囲は、ここに記載された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲は特許請求の範囲の主題のあらゆる等価物を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】好適な実施形態におけるツールを示す概略図である。
【図2】図1の構成要素部分を例示する部分図である。
【図3】波形の反射および残響を示す図である。
【図4】受信音響波形を示すグラフである。
【図5】図4の構成要素部分を例示する線図である。
【図6】好適な実施形態に従って構築された地表下システムの線図である。
【図7】好適な実施形態に従って構築された地上システムの線図である。
【図8】好適な実施形態の全体のフローチャートである。
【図9】好適な実施形態のフローチャートである。
【図10】好適な実施形態のフローチャートである。
【符号の説明】
10 ツール
210 坑井流体
200 音響変換器
220 金属円板
200 音響トランシーバ
260 第1反射部分
271〜276 円板残響部分
250 音響信号
510 ダウンホールプロセッサ
590 アップホールプロセッサ
Claims (8)
- ボアホール流体特性を決定する方法であって、
ボアホール流体内で音響信号を生成すること、
音響信号を残響信号に変換する既知の物体から音響信号を反射させること、
受信反射部分および受信残響部分を有している音響反射信号を流体から受信すること、及び
受信残響部分を分析してボアホール流体特性を決定することを含み、この分析は、
理論的残響部分を得ることと、
ボアホール流体特性を決定するために受信残響部分と理論的残響部分とを関連づけることとを含み、
ボアホール流体特性は流体密度である方法。 - 前記生成と受信との間の時間遅延から音響速度を決定することをさらに含む請求項1記載の方法。
- 既知の物体は所定の場所における所定の寸法の金属物体である請求項1記載の方法。
- 任意の場所におけるボアホール流体特性に関する値がリアルタイムに得られる請求項1記載の方法。
- ボアホール流体特性を決定する方法であって、
ボアホール流体内で音響信号を生成すること、
音響信号を残響信号に変換する既知の物体から音響信号を反射させること、
受信反射部分および受信残響部分を有している音響反射信号を流体から受信すること、及び
受信残響部分を分析してボアホール流体特性を決定することを含み、この分析は、
理論的残響部分を得ることと、
ボアホール流体特性を決定するために受信残響部分と理論的残響部分とを関連づけることとを含み、
また理論的残響部分を得る行為は受信反射部分を理論的残響伝達関数により畳込むことを含み、
理論的残響伝達関数は、
で表される周波数ドメイン表現R(ω)を有し、
この式中、Zmはボアホール流体のインピーダンス、Zsは既知の物体のインピーダンス、Vsは既知の物体中の音の速度であり、CTは既知の物体の厚さである方法。 - ボアホール流体特性を決定する方法であって、
ボアホール流体内で音響信号を生成すること、
音響信号を残響信号に変換する既知の物体から音響信号を反射させること、
受信反射部分および受信残響部分を有している音響反射信号を流体から受信すること、及び
受信残響部分を分析してボアホール流体特性を決定することを含み、この分析は、
理論的残響部分を得ることと、
ボアホール流体特性を決定するために受信残響部分と理論的残響部分とを関連づけることとを含み、
また理論的残響部分を得る行為は受信反射部分を理論的残響伝達関数により畳込むことを含み、
前記の関連づける行為は、
理論的残響部分の振幅の和を計算することと、
振幅の和を、理論的な伝達関数を決定するために使用されるインピーダンスと関係づけることと、
異なるインピーダンスについて、取得し計算し関係づける前記行為を繰り返すことと、
記憶された振幅の和に曲線をあてはめることと、
受信残響部分の振幅の和を計算することと、
受信残響部分の振幅の和に対応する曲線の値を決定することとを含む方法。 - ボアホール流体特性を決定する方法であって、
ボアホール流体内で音響信号を生成すること、
音響信号を残響信号に変換する既知の物体から音響信号を反射させること、
受信反射部分および受信残響部分を有している音響反射信号を流体から受信すること、及び
受信残響部分を分析してボアホール流体特性を決定することを含み、この分析は、
理論的残響部分を得ることと、
ボアホール流体特性を決定するために受信残響部分と理論的残響部分とを関連づけることとを含み、
また理論的残響部分を得る行為は受信反射部分を理論的残響伝達関数により畳込むことを含み、
前記関連づける行為は、
受信残響部分と理論的残響部分との差を決定することと、
差を誤差許容差と比較することと、
差が誤差許容差より大きければ、
理論的残響伝達関数を調整することと、
その差が誤差許容差より小さくなるまで、取得し決定し比較する前記行為を繰り返すこととを含む方法。 - ボアホール流体特性を決定する方法であって、
ボアホール流体内で音響信号を生成すること、
音響信号を残響信号に変換する既知の物体から音響信号を反射させること、
受信反射部分および受信残響部分を有している音響反射信号を流体から受信すること、及び
受信残響部分を分析してボアホール流体特性を決定することを含み、この分析は、
理論的残響部分を得ることと、
ボアホール流体特性を決定するために受信残響部分と理論的残響部分とを関連づけることとを含み、
既知の物体は音響信号の中心周波数の半波長にほぼ等しい厚さを有する円板である方法。
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