MX2015002266A

MX2015002266A - Sistema y metodo para mediciones de ondas sonicas utilizando una fuente de haz acustico.

Info

Publication number: MX2015002266A
Application number: MX2015002266A
Authority: MX
Inventors: Cung Khac Vu; Dipen N Sinha; Cristian Pantea
Original assignee: Chevron Usa Inc
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2015-05-08
Also published as: JP2015531074A; MX338882B; CA2882342A1; CA2882366A1; EP2888608A2; EP2888609A2; BR112015003740A2; US20140056111A1; US20140056101A1; RU2015110056A; WO2014031779A2; MX2015002264A; AU2013305752A1; MX2015002265A; SG11201501253TA; CA2882343A1; WO2014031777A2; RU2015110057A; RU2015110055A; SG11201501252WA

Abstract

En la presente se describen un método y un sistema para analizar una estructura cerca de un pozo. El método incluye generar un haz acústico por una fuente acústica; dirigir en uno o más ángulos acimutales el haz acústico hacia una ubicación seleccionada en una vecindad del pozo; recibir en uno o más receptores una señal acústica, la señal acústica que se origina de una reflexión o una refracción de la onda acústica por un material en la ubicación seleccionada; y analizar la señal acústica recibida para caracterizar las características del material alrededor del pozo.

Description

SISTEMA MÉTODO PARA MEDICIONES DE ONDAS SÓNICAS UTILIZANDO UNA FUENTE DE HAZ ACUSTICO Campo de la Invención La presente invención se refiere en general al análisis acústico de formaciones rocosas alrededor de un pozo, y de manera más particular al uso de la combinación de una fuente acústica que incluye un solo transductor o un arreglo de transductores en el pozo acoplado a un material lineal o no lineal para producir un haz acústico como una herramienta de sondeo de un pozo para analizar las propiedades de formaciones rocosas y materiales que circundan el pozo.

Antecedentes de la Invención El análisis acústico de las características del subsuelo tiende a limitarse por el ancho de banda de frecuencia de fuentes prácticas. Las señales de alta frecuencia tienen una distancia de penetración relativamente corta, en tanto que las señales de baja frecuencia no tienen colimación y generan señales indeseadas dentro del pozo. Es difícil generar una señal de haz acústico colimado en el intervalo de frecuencia sónico entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 120 kHz del pozo para sondear la formación rocosa que circunda un pozo con transductores convencionales.

Las fuentes acústicas sónicas convencionales tienen Ref.254725 gran dispersión de haces, tal como conforme disminuye la frecuencia, incrementa la dispersión de haces. La dispersión de haces también depende del diámetro del transductor, que se limita por la dimensión del pozo. El direccionamiento agudo de directividad para una frecuencia particular requiere varias condiciones que se deben satisfacer, que incluyen un largo arreglo de fuentes, uniforme que acopla todos los transductores a la formación rocosa alrededor del pozo y el conocimiento de las velocidades acústicas de la formación rocosa. En un entorno de pozo, estas condiciones no se pueden lograr a menudo debido a las limitaciones físicas subyacentes, factibilidad de ingeniería o condiciones operativas, especialmente cuando la señal de fuente tiene un ancho de banda de frecuencia amplio.

Los registros acústicos de pozos monopolo y dipolo convencionales se han utilizado para medir la velocidad sónica cerca del pozo utilizando un intervalo de frecuencia menor de aproximadamente 8 kHz. Sin embargo, en esta relativamente baja frecuencia, la resolución acimutal es relativamente baja. Existen varias patentes que intentaron superar esta deficiencia al utilizar receptores adicionales para detectar la dirección de las señales que regresan a los receptores (ver, por ejemplo, la patente de los Estados Unidos No. 5,544,127 y las referencias citadas dentro de la misma). También se han propuesto solicitudes para pozo sónico para formación de imágenes de reflexión, formación de imágenes de refracción, detección de fracturas y determinación de permeabilidad (ver, por ejemplo, la Patente de los Estados Unidos No.5,081,611, Patente de los Estados Unidos No. 4,831,600, Patente de los Estados Unidos No. 4,817,059, y Patente de los Estados Unidos No.4,797,859). Todas estas téenicas convencionales tienen deficiencia de resolución operacional y acimutal puesto que la fuente carece o tiene directividad acimutal insuficiente y ancho de banda de frecuencia deseado.

Para la evaluación de cemento, las ondas ultrasónicas en el intervalo de frecuencia de cientos de kilohercios (por ejemplo, bajo intervalo de frecuencia ultrasónica entre 80 kHz y aproximadamente 120 kHz e intervalo de frecuencia ultrasónica de alrededor de 200 kHz) se han utilizado para detectar un espacio de cemento detrás de la sarta. Incluso a través de estas frecuencias de alrededor de 200 kHz se permite buena resolución de acimut, es muy limitado el intervalo de distancia para detección en aproximadamente esta frecuencia, es decir, la profundidad de penetración para investigar detrás de la formación y canales entre el cemento y la formación rocosa es limitada para la fuente ultrasónica en frecuencias de aproximadamente 200 kHz. Los registros de evaluación de cementación convencionales utilizan una frecuencia de 30 kHz y pueden investigar más profundo. Sin embargo, estos registros de evaluación de cementación convencionales carecen de resolución acimutal debido a que la longitud de onda es de aproximadamente el radio del pozo y, en consecuencia, los modos de pozo excitarían el pozo completo. Como resultado es difícil extraer información acimutal detallada de la unión de cemento. A fin de superar esta deficiencia, múltiples fuentes (que emiten en el intervalo de frecuencia entre 70 kHz y 120 kHz) y múltiples receptores se utilizan en un sistema de Herramientas de Enlace de Sectores (SBT, por sus siglas en inglés). Sin embargo, incluso con el uso de múltiples fuentes y múltiples receptores, el sistema SBT convencional no era capaz de corregir las deficiencias de los registros de evaluación de cementación convencionales anteriores puesto que la fuente aún carecía de directividad acimutal para detectar de forma efectiva la existencia de pequeños canales entre el cemento y la formación rocosa.

Breve Descripción de la Invención Un aspecto de la presente invención es proporcionar un método para investigar la unión de cemento o la estructura de una formación rocosa cerca de un pozo. El método incluye generar una onda acústica mediante una fuente acústica; dirigir en uno o más ángulos de inclinación y acimutales la onda acústica hacia una ubicación objetivo en la vecindad de un pozo; recibir en uno o más receptores una señal acústica, la señal acústica que se origina de una reflexión o una refracción o propagación de onda superficial de la onda acústica por un material en la ubicación deseada; y analizar la señal acústica recibida para caracterizar las características del material alrededor del pozo.

Otro aspecto de la presente invención es proporcionar un sistema para investigar la unión de cemento o estructura de formación rocosa cerca de un pozo. El sistema incluye una fuente acústica configurada para generar una onda acústica y dirigir la onda acústica en uno o más ángulos acimutales hacia una ubicación deseada en una vecindad de un pozo. El sistema también incluye uno o más receptores configurados para recibir una señal acústica, la señal acústica que se origina a partir de una reflexión o una refracción o propagación de onda superficial de la onda acústica mediante un material en la ubicación deseada. El sistema también incluye un procesador configurado para realizar procesamiento de datos en la señal recibida para analizar la señal acústica recibida para caracterizar las características del material alrededor del pozo.

Aún otro aspecto de la presente invención es proporcionar una fuente acústica para generar un haz acústico. La fuente acústica incluye un alojamiento; una pluralidad de capas piezoeléctricas separadas colocadas con el alojamiento; y un medio no lineal que se llena entre la pluralidad de capas. Cada una de la pluralidad de capas piezoeléctricas se configura para generar una onda acústica cuando se excita con una señal eléctrica. El medio no lineal y la pluralidad de capas de material piezoeléctrico tienen una impedancia de adaptación acústica para mejorar una transmisión de la onda acústica generada mediante cada una de la pluralidad de capas a través de la pluralidad restante de capas.

Otro aspecto de la presente invención es proporcionar un detector acústico que incluye un miembro de soporte cilindrico y una pluralidad de elementos receptores que se colocan en una superficie del miembro de soporte cilindrico. La pluralidad de elementos receptores se configura para detectar ondas acústicas en una pluralidad de direcciones angulares acimutales.

Estos y otros objetos, rasgos, y características de la presente invención, así como los métodos de operación y funciones de los elementos relacionados de estructura y la combinación de partes y economías de fabricación, llegarán a ser más evidentes después de la consideración de la siguiente descripción y las reivindicaciones anexas con referencia a las figuras anexas, todos los cuales forman una parte de esta descripción, en donde números de referencia similares designan partes correspondientes en las diversas Figuras. Se va a entender de forma expresa, sin embargo, que las figuras son para el propósito de ilustración y descripción solamente y no se propone como una definición de los límites de la invención. Como se utiliza en la descripción y en las reivindicaciones, la forma singular de "un", "una", y "el" incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

Breve Descripción de las Figuras Las Figuras 1A y IB muestran un diagrama esquemático de un sistema para generar un haz acústico colimado para caracterizar formaciones y/o materiales cerca de un pozo, de acuerdo a una modalidad de la presente invención; Las Figuras 1C y ID muestran un diagrama esquemático de un arreglo direccional múltiple de fuentes acústicas de película difluoruro de polivinilideno (PVDF) utilizado para generar un haz acústico colimado, de acuerdo a una modalidad de la presente invención; Las Figuras 1E y 1F representan la salida de señal mediante el arreglo direccional múltiple de fuentes acústicas de película PVDF sin aplicar un retardo a una señal eléctrica de excitación y cuando se aplica un retardo apropiado a la señal eléctrica de excitación; Las Figuras 2A-2C son representaciones esquemáticas de un receptor, de acuerdo a varias modalidadés de la presente invención; La Figura 3 es un diagrama esquemático de un sistema de medición acústica, de acuerdo a una modalidad de la presente invención; La Figura 4A ilustra una característica de una señal de pulso de haz de arreglo paramétrico emitida mediante una fuente acústica, de acuerdo a una modalidad de la presente invención; La Figura 4B es una transformada rápida de Fourier (FFT, por sus siglas en inglés) de la señal de haz acústico de la Figura 4A para obtener la señal en el dominio de la frecuencia; La Figura 5 representa datos recolectados como una función del tiempo de propagación y el ángulo acimutal, de acuerdo a una modalidad de la presente invención; La Figura 6 representa un diagrama esquemático de una configuración experimental con el receptor que tiene un arreglo lineal de elementos receptores colocados en una superficie de una configuración cilindrica, de acuerdo a una modalidad de la presente invención; La Figura 7 representa datos de reflexión obtenidos en un experimento similar a los datos mostrados en la Figura 5 pero después de realizar procesamiento de señales para filtrar las llegadas lineales; de acuerdo a otra modalidad de la presente invención; La Figura 8 representa datos recolectados como una función del tiempo de propagación y el número de receptores después de realizar procesamiento de señales para filtrar las llegadas lineales, de acuerdo a una modalidad de la presente invención; La Figura 9 representa otro experimento en el cual la orientación del receptor 24 está fija (es decir, el receptor no se gira) y el espejo se gira de forma acimutal; de acuerdo a otra modalidad de la presente invención; Las Figuras 10A y 10B representan una configuración acústica experimental, de acuerdo a otra modalidad de la presente invención donde la Figura 10A es una vista esquemática longitudinal de la configuración experimental y la Figura 10B es una vista superior de la configuración experimental; Las Figuras 11A-11C muestran gráficos de los datos medidos para varias orientaciones o ángulos acimutales, respectivamente, en aproximadamente 320 grados, en aproximadamente 90 grados y en aproximadamente 165 grados, de acuerdo a una modalidad de la presente invención; Las Figuras 12A-12C muestran gráficos de formas de onda sintéticas de medición acústica en el intervalo de frecuencia de 15-120 kHz para distintas condiciones de pozo, de acuerdo a modalidades de la presente invención; Las Figuras 13A-13C muestran datos de propagación de pulsos de frecuencia simulados junto con el análisis de tiempo-frecuencia de los mismos datos, de acuerdo a las modalidades de la presente invención; La Figura 14A representa el sistema de medición acústica colocado dentro de un pozo, de acuerdo a una modalidad de la presente invención; La Figura 14B representa el sistema de medición acústica colocado dentro de un pozo, de acuerdo a otra modalidad de la presente invención; La Figura 14C representa el sistema de medición acústica colocado dentro de un pozo, de acuerdo aún otra modalidad de la presente invención; y La Figura 15 es un diagrama esquemático que representa un sistema informático para implementar el método, de acuerdo a una modalidad de la presente invención.

Descripción Detallada de la Invención Las Figuras 1A y IB son un diagrama esquemático de un sistema para generar un haz acústico colimado para caracterizar formaciones y/o materiales cerca de un pozo, de acuerdo a una modalidad de la presente invención. El sistema 10 incluye uno o más generadores de señales eléctricas 12 configurados para generar señales en una primera frecuencia y una segunda frecuencia. Las señales se transmiten a un amplificador de señales o amplificadores 14 que se configuran para incrementar la potencia de las señales. Las señales modificadas mediante el amplificador 14 se transmiten a uno o más transductores 16 que se configuran para generar ondas acústicas en la primera y la segunda frecuencia. Las ondas acústicas se transmiten a un material no lineal 17, que mezcla las ondas en la primera frecuencia y la segunda frecuencia por medio de proceso mezclador de ondas para producir un haz acústico colimado 18 en una tercera frecuencia. En una modalidad, el haz acústico colimado 18 puede tener una frecuencia en el intervalo entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 120 kHz. Este intervalo de frecuencia se puede incrementar al utilizar, por ejemplo, diferentes transductores y frecuencias principales. El haz acústico colimado 18 puede ser una señal acústica continua o también puede comprender uno o más pulsos acústicos (por ejemplo, un tren de pulsos acústicos).

El material no lineal 17 puede ser un líquido, una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular incrustado en una sarta sólida, microesferas incrustadas, meta-materiales acústicos, o una emulsión. A manera de un ejemplo no limitativo de este material no lineal es el Fluorinert FC-43 . El Fluorinert se selecciona por su relativamente baja velocidad de sonido (646 m/s) y alta no linealidad acústica (b ~ 7.6). Dependiendo de las condiciones operativas en el pozo, se pueden utilizar otros materiales no lineales como un medio mezclador no lineal con baja velocidad de sonido adecuada, alto acoplamiento no lineal, longitud de absorción, longitud de onda de choque, intervalos de operación de temperatura y presión, así como, otros requerimientos requeridos por descripciones de operabilidad. Además, la longitud del material no lineal puede ser muy compacta y puede variar de entre 5 cm a 2 metros para el intervalo de frecuencia entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 120 kHz dependiendo del tipo de materiales que se usen. El material no lineal se puede colocar en un alojamiento, tal como por ejemplo un contenedor cilindrico. El eje del alojamiento relleno de material no lineal se puede alinear con un eje de pozo, tal como el haz acústico de diferencia de frecuencia que se da como salida por el material no lineal que se propaga a lo largo de este eje.

El comportamiento no lineal se puede caracterizar a través del análisis de las propiedades de ondas P que resultan del fenómeno mezclador no lineal en el cual dos ondas incidentes en dos frecuencias diferentes, fi y f2, se mezclan para generar componentes de tercera frecuencia en los armónicos y frecuencias de inter-modulación fz - fiÍ2 + fi, 2fi y 2f2, etc. En un aspecto de la invención, el fenómeno mezclador no lineal se diseña para que se presente en el material no lineal dentro del pozo. En general, sólo la tercera onda resultante de frecuencia diferencial fz - fi es de interés para esta solicitud. Las frecuencias mayores sólo se propagan a una corta distancia y tienden a absorberse en el propio material no lineal. En algunas modalidades, la tercera onda o haz colimado tiene una frecuencia entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 120 kHz. Sin embargo, un intervalo de frecuencia más amplio y frecuencias más altas también están dentro del alcance de la presente invención. En una modalidad, el ancho de banda de frecuencia de la tercera onda se determina mediante las dos frecuencias principales fi y f2 donde una frecuencia (por ejemplo, frecuencia fi) se mantiene fija y la otra frecuencia (por ejemplo, frecuencia f2) se barre en el tiempo de forma muy rápida (por ejemplo, chirrido). Por lo tanto, por ejemplo, al mezclar un tren de impulsos de tono de unos pocos ciclos de alta frecuencia (por ejemplo, frecuencia fi) con un chirrido de frecuencia alrededor de esa frecuencia fi se puede obtener una señal de banda ancha. Sin embargo, también es posible mezclar una variedad de señales para crear una respuesta de tiempo deseada así como una respuesta de frecuencia. Por ejemplo, la fuente de arreglo paramétrico compacto se puede preprogramar para generar pulsos gaussianos con intervalo de frecuencia entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 120 kHz al mezclar dos pulsos gaussianos de alta frecuencia en la cámara llena con Fluorinert . El pulso de haz generado resultante en la frecuencia f2 - fi actúa como una partícula acústica (análoga a un fotón en la física de estado sólido) que viaja en el medio de propagación. La característica de pulso agudo permite la medición con datos en bruto sin ninguna clase de procesamiento de señales, tal como correlación cruzada y esto acelera la medición de forma significativa. El sistema de medición experimental para la evaluación de esta fuente de arreglo paramétrico para características de formación de imágenes alrededor de una sarta de pozo se describe en el siguiente párrafo.

En una modalidad, el transductor 16 y el material mezclador 17 se puede reemplazar por un arreglo direccional múltiple de fuentes acústicas de película de difluoruro de polivinilideno (PVDF) 30 mostrado en la Figura 1C. El arreglo direccional múltiple de fuentes acústicas de película PVDF 30 comprende una pluralidad de capas piezoeléctricas (PZT) separadas (por ejemplo, películas PVDF) 32. La PVDF proporciona algunos beneficios inmediatos con respecto a piezo-cerámicas. La PVDF tiene alta amortiguación mecánica y una permitividad compleja. Los transductores construidos con PVDF pueden por lo tanto tener un ancho de banda muy amplio, produciendo una onda de presión de duración corta, ofreciendo por lo tanto buena resolución de formación de imágenes espaciales en frecuencias centrales de operación más baja (y por lo tanto mínimamente atenuadas) que las piezo-cerámicas. Además, la impedancia acústica (Z) de PVDF (Especialidades de Medición, Norristown, PA) es aproximadamente 2.7 MRayl con respecto a la impedancia acústica del agua que es igual a aproximadamente 1.48 MRayl. Cuando se utilizan capas PZT, el material o medio mezclador no lineal 17 se puede remover y sustituir con cualquier fluido que tiene buenas propiedades de transmisión en el intervalo de frecuencia operativa deseado (por ejemplo, entre aproximadamente 1 kHz y aproximadamente 120 kHz) y baja absorción acústica. Las películas PVDF 32 se pueden montar dentro de un alojamiento 34 (por ejemplo, un cilindro). Aunque la fuente acústica de arreglo múltiple direccional 30 se describe en la presente como que utiliza películas PVDF, se puede apreciar que, se pueden utilizar otras películas piezoeléctricas. Aunque, el alojamiento 34 se representa en la Figura 1C como que tiene una forma cilindrica con una base circular, el alojamiento 34 puede tener una forma cilindrica o configuración con cualquier forma de base (por ejemplo, una forma de base poligonal). La fuente acústica incluye además un medio no lineal que se llena entre las capas piezoeléctricas (por ejemplo, películas PVDF). En una modalidad, el alojamiento 34 se llena con un medio tal como un fluido que tiene una impedancia acústica sustancialmente que se adapta a la impedancia acústica de la película PVDF 32. En una modalidad, el fluido puede ser, por ejemplo, agua como la impedancia acústica de la película PVDF 32 se adapta sustancialmente a la impedancia acústica del agua. En otra modalidad, el agua se puede reemplazar por Fluorinert (por ejemplo, FC-43). El desajuste de impedancia entre la PVDF y el fluorinert cambia sólo ligeramente pero la velocidad del sonido en el líquido llega a ser significativamente menor, es decir 640 m/s en FC-43 en comparación con 1480 m/s para el agua. Sin embargo, el Fluorinert FC-43 se descompone a temperaturas elevadas, por encima de 390 F (198.88 C). El uso de Fluorinert permite que le tamaño de la fuente se disminuya por casi un tercio en comparación con el tamaño cuando se utiliza agua debido a que la velocidad acústica en Fluorinert es menor. En una modalidad, la fuente del arreglo direccional múltiple 30 incluye además material absorbente acústico 31 colocado en un primer extremo del alojamiento 34 y una placa 33 colocada en un segundo extremo del alojamiento 34 opuesto al primer extremo. En una modalidad, la placa 33 se puede convertir en una lente acústica para proporcionar manipulación de la colimación o enfoque de haz acústico, etc. Las películas PVDF proporcionan una fuente de banda muy ancha de sonido de 1 kHz a 100 MHz. Además, en una modalidad, una pared lateral del alojamiento 34 se puede formar en capas con aislamiento acústico 35 para impedir que las ondas acústicas generadas mediante las películas PVDF se reflejen de la pared lateral.

El arreglo direccional múltiple con base en la fuente acústica de película PVDF 30 es capaz de dar como salida una onda acústica más potente (que puede ser, por ejemplo, en una forma de cono o un haz colimado o paralelo) que un arreglo paramétrico convencional que utiliza un solo transductor. Cada una de la pluralidad de capas piezoeléctricas (por ejemplo, películas PVDF) se configura para generar una onda acústica. El medio no lineal y la pluralidad de capas piezoeléctricas tienen una impedancia para mejorar una transmisión de la onda acústica generada por cada una de la pluralidad de capas a través de la pluralidad restante de capas.

En una modalidad, un generador eléctrico tal como generador eléctrico 12 se puede proporcionar para excitar eléctricamente al menos una capa piezoeléctrica en la pluralidad de capas piezoeléctricas para generar un pulso de onda acústica, como se ilustra en la Figura ID. Por ejemplo, el generador de señales eléctricas 12 se puede configurar para excitar eléctricamente la pluralidad de películas piezoeléctricas (por ejemplo, PVDF) 32 para generar una pluralidad de pulsos de ondas acústicas que se separan en el tiempo para formar un tren de pulsos de ondas acústicas. El generador de señales eléctricas 12 se puede configurar para generar una amplia variedad de formas de onda de señal (tren de impulsos de tono, chirridos de frecuencia, ondas cuadradas, ondas triangulares, y cualquier forma de onda trigonométrica, etc.) además de un pulso gaussiano, y una cascada de generadores de retardo de tiempo. El retardo de tiempo t se puede ajustar de tal forma que es igual al tiempo para un pulso acústico para propagarse de una capa a la otra de tal forma que llega exactamente en el momento cuando se excita la siguiente capa. El retardo de tiempo t se puede ajustar que es sustancialmente igual a una distancia de separación d entre dos películas PVDF consecutivas 32 divididas por la velocidad "c" del sonido en el medio entre las películas PVDF consecutivas 32. Por lo tanto, si, por ejemplo, la primera película 32A se excita en el tiempo t igual a cero para generar un primer pulso, la segunda película 32B se puede excitar en el tiempo t retardado por el tiempo de retardo t para generar un segundo pulso, y la tercera película 32C se puede excitar en el tiempo t retardado por el tiempo de retardo 2t para generar un tercer pulso, etc. De esta forma, el primer pulso generado mediante la primera película 32A llega en la segunda película 32B en sustancialmente el mismo tiempo que el segundo pulso se genera en la segunda capa 32B. De forma similar, el primer pulso y el segundo pulso llegan a la tercera película 32C es sustancialmente el mismo tiempo que el tercer pulso se genera en la tercera capa 32C, etc. Cada capa PVDF 32 se puede alimentar desde estos generadores de retardo con el retardo apropiado de acuerdo a la posición de la película PVDF 32 dentro del alojamiento 34. Cada película PVDF 32 también se puede excitar mediante una señal eléctrica retardada cuya amplitud también se puede ajustar y formar de forma apropiada. El propósito de este enfoque es tener pulsos acústicos de todas las capas o películas previas que llegan en la última capa cuando se excita la última capa de tal forma que todas las ondas se suman y producen un pulso más fuerte. Si existen N capas entonces la señal que emana de la última capa será aproximadamente N veces la potencia generada por cada capa después de restar las pérdidas de la señal en la capa y en el medio. Aunque es más sencillo tener todas las capas colocadas en intervalos iguales en el espacio pero esto no es necesario. En efecto, las varias capas se pueden colocar en cualquier posición y el intervalo entre las capas puede ser diferente. El retardo de tiempo se puede seleccionar de forma apropiada para tomar en cuenta la separación entre las varias capas. Un enfoque de arreglo en fase lineal con frecuencias fijas también se puede implementar al variar de forma apropiada el retardo entre las películas PVDF 32.

En una modalidad, cada película PVDF se excita mediante un tren de impulsos de tono de 500 kHz. Las frecuencias de 50 kHz a 1 MHz también se pueden utilizar si se desea. No existe frecuencia de corte más alta hasta casi 100 MHz y sólo es algo limitada principalmente por la absorción del sonido en el líquido en el que están inmersas estas películas. Los datos experimentales se grafican en las Figuras 1E y 1F. La Figura 1E muestra la señal de todos los 4 transmisores PVDF cuando no se utiliza retardo electrónico. En este caso, cada señal llegó al receptor con base en su distancia desde el receptor. La Figura 1F por otra parte muestra cuando se utilizó el retardo de tiempo apropiado, todas las señales llegaron en el último transmisor al mismo tiempo. En este caso, la señal detectada por el receptor muestra ahora la señal superpuesta grande.

La eficacia de la fuente acústica direccional múltiple se puede.incrementar al utilizar películas PVDF que son ligeramente curvadas en lugar de que sean planas, estiradas. En una modalidad, cada película PVDF se puede proporcionar con cruz de plástico hecha de alambre de plástico delgado (o un alambre metálico) unido a éste para hacer la superficie de la película ligeramente curvada de una forma simétrica. Cada una de las películas PVDF tiene una capa delgada de electrodo en lados opuestos donde las conexiones eléctricas se hacen para la excitación de la película. El arreglo de películas 32 se integra en un marco de alambre y entonces se inserta en el cilindro. Los cables se sacan a través de un agujero de salida en el lado del absorbente del cilindro.

Por ejemplo, en la operación, una primera película PVDF 32A se puede configurar para generar un primer pulso acústico, y una segunda película PVDF 32B se puede configurar para generar un segundo pulso acústico retardado con respecto al primer pulso, una tercera película PVDF 32C se puede configurar para generar un tercer pulso acústico retardado con respecto al segundo pulso acústico, etc. La tercera película PVDF 32C se puede configurar para que sea transparente al primer y segundo pulso acústico. La segunda película PVDF 32B se puede configurar para que sea transparente al primer pulso acústico. El primer, segundo y el tercer pulso acústico se suman y, como resultado, la fuente acústica de película PVDF 30 puede dar como señal una señal que comprende el primer, el segundo y el tercer pulso acústico. Esto proporciona no sólo la capacidad de controlar la potencia del haz acústico de salida sino que también la energía de los pulsos individuales y el retardo entre los distintos pulsos. En este ejemplo, la fuente acústica de película PVDF 30 se describe como que tiene tres películas PVDF. Sin embargo, se puede utilizar cualquier número de películas PVDF. En una modalidad, el alojamiento 34 se rodea mediante un material absorbente acústico (no mostrado) para impedir la dispersión de energía acústica a un lado del alojamiento 34.

En otra modalidad, las ondas sonoras generadas por cada una de las películas PVDF 32 llegan en el disco frontal 33 al mismo tiempo y se suman en potencia. Cada película PVDF se excita mediante un pulso eléctrico (en forma gaussiana) que tiene un ancho de banda de señal entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 120 kHz. Sin embargo, la PVDF se puede excitar para generar ondas acústicas en cualquier intervalo de frecuencia dentro de la frecuencia operativa de las películas. De esta forma, todos los pulsos sonoros generados por cada elemento por película PVDF 32 llega en el elemento frontal 33 al mismo tiempo y se suma para producir una señal potente que es cerca de N veces la salida de potencia de cada elemento después de restar la pequeña pérdida de transmisión en el líquido y la película. La pérdida en el líquido es mínima en estas frecuencias.

En una modalidad, el haz acústico colimado 18 se puede orientar en una dirección particular por una guía de haz acústico 20. En una modalidad, la fuente acústica (transductores 16 y material no lineal 17 o fuente acústica 30) y la guía de haz acústico o dispositivo direccionador 20 se colocan dentro de un alojamiento 22. La guía de haz acústico 20 puede ser un reflector acústico o una lenta acústica, o una combinación de ambos. El reflector acústico puede ser un material con diferente impedancia acústica del medio circundante en el cual se propaga el haz. En un ejemplo no limitativo de este reflector acústico es una placa metálica. En una modalidad, la lente acústica se puede configurar para enfocar el haz acústico colimado en un punto y dirección focales particulares y puede tener una forma cóncava. Un arreglo de espejos tipo Fresnel también se puede utilizar para la guía de haz acústico. La guía de haz acústico 20 se puede girar o inclinar en una orientación particular al utilizar uno o más activadores (no mostrados) acoplados a la guía de haz acústico 20. De forma alternativa, en algunas modalidades, la guía de haz acústico 20 no se puede utilizar, y el haz colimado 18 podría propagarse a lo largo del eje del alojamiento 22. Por ejemplo, el alojamiento 22 se puede hacer de plástico u otro material adecuado. En una modalidad, el alojamiento 22 puede estar en la forma de un cilindro o sección de tubería con una base circular, como se muestra en las Figuras 1A y IB. Sin embargo, el alojamiento 22 puede tener otras configuraciones tal como un cilindro con base poligonal (por ejemplo, cuadrada, rectangular, hexagonal, pentagonal, etc.). En una modalidad, el alojamiento 22 se puede llenar con un líquido (por ejemplo, agua).

La Figura 14A representa el sistema de medición acústica colocado dentro de un pozo, de acuerdo a una modalidad de la presente invención. El haz colimado 18 se puede dirigir a una dirección particular hacia un objeto u objetivo de interés tal como un revestimiento de cemento o capas rocosas detrás de la sarta 19A dentro de un pozo 11 u objeto 19B (por ejemplo, grieta, fractura, hueco> etc.) dentro de la formación rocosa 13 cerca del pozo 11, como se muestra en la Figura 14A. Las carencias de homogeneidades de formaciones, materiales o estructuras, tal como el objeto 19A, por ejemplo, generarán refracción o propagación de ondas superficiales 21A que se dispersa como onda acústica 21B y se detecta mediante el receptor 24. De forma similar, las carencias de homogeneidades dentro de la formación rocosa 13 tal como grieta o fractura 19B crea una reflexión o dispersión del haz acústico 18 y la onda acústica reflejada 21C entonces se puede detectar por el receptor 24. El haz acústico 18 puede generar ondas elásticas, por ejemplo, refracciones y ondas de propagación superficial, que viajan a lo largo de límites con la formación rocosa 13 y límites entre el pozo y la formación rocosa 13. Las ondas dispersas, reflejadas u ondas superficiales y otros tipos de ondas se reciben mediante el receptor 24.

La Figura 14B representa el sistema de medición acústica colocado dentro de un pozo, de acuerdo a otra modalidad de la presente invención. En esta modalidad, la salida del haz acústico 18 mediante la fuente acústica 16, 30 se puede dirigir utilizando el dispositivo direccionador 20 generalmente hacia abajo en la dirección del eje 15 del pozo 11. En este caso, el haz acústico u onda acústica 18 se puede utilizar para investigar la formación rocosa 13 que no se ha perforado y por lo tanto investigar por delante de la broca de perforación. Esto se puede realizar, por ejemplo, mediante operaciones de perforación. Cuando el haz acústico 18 se dirige generalmente hacia abajo hacia la formación rocosa 13, los objetos 19C (por ejemplo, capas rocosas dentro de la formación rocosa) reflejan algo de la energía de haz acústico 18 como onda acústica 2ID que entonces se puede detectar por el receptor 24. La ubicación o distancia del objeto 19C desde la fuente acústica 16, 30 entonces se puede determinar con base en la onda acústica recibida 21D.

De forma similar, la cantidad de inclinación de las capas 19C también se puede determinar con base en la inclinación del haz acústico 18 (por ejemplo, con respecto al eje de pozo 15) y la onda acústica recibida 21D. La Figura 14C muestra una situación donde las capas 19C se inclinan con respecto al pozo 11 o eje de pozo 15. En este caso, el dispositivo direccionador de haz 20 (por ejemplo, un espejo o prisma acústico inclinadle, etc.) que se coloca enfrente de la fuente 30 se puede utilizar para dirigir el haz acústico 18 en cualquier dirección que incluye una dirección hacia las capas 19C. Si el dispositivo direccionador 20 se coloca de forma vertical, entonces se permite que el haz de sonido de la fuente pase a través sin ninguna cantidad significativa de bloqueo. Si las capas 19C se inclinan en un ángulo entonces el haz acústico 18 no se reflejará por las capas 19C y como resultado no se detecta la señal acústica reflejada por el receptor 24. Si, por otra parte, el dispositivo direccionador 20 se gira o inclina de tal forma que la orientación del haz acústico 18 es sustancialmente perpendicular o normal a las capas 19C, una señal acústica 21D entonces se puede reflejar de las capas inclinadas 21D y se puede detectar por el receptor 24. El dispositivo direccionador se puede orientar de forma acimutal además de la inclinación o elevación para proporcionar una imagen completa de lo que está por delante de la broca de perforación.

Como se muestra en la Figura IB, el receptor 24 también se puede proporcionar dentro del alojamiento 22. Sin embargo, el receptor 24 también se puede proporcionar separado del alojamiento 22 para permitir movimiento independiente del receptor 24 y la fuente 16. El receptor 24 se puede configurar para recibir la onda reflejada, dispersa, difractada, etc.21. En una modalidad, un absorbente acústico 23 se puede colocar entre la guía de haz acústico 20 y el receptor 24, por ejemplo, para impedir que las ondas acústicas que pueden haber no sido reflejadas o de otra forma dirigidas por la guía de haz 20 alcancen el receptor 24. En una modalidad, al colocar el receptor 24 dentro del mismo alojamiento 22, el receptor 24 es capaz de recibir la onda reflejada o dispersa 21 en tanto que el alojamiento 22 se mueve, es decir, la fuente 16 y el receptor 24, y el alojamiento 22, etc., se mueven como un todo como un solo dispositivo 9 a lo largo del pozo 11 (como se muestra en la Figura 14). Sin embargo, en otra modalidad, la fuente acústica (por ejemplo, la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30) y el receptor 24 se pueden mover de forma independiente a lo largo del pozo 13. Las ondas acústicas reflejadas 21 se detectan por el receptor 24 y se convierten en una señal eléctrica que se puede transmitir a electrónica de procesamiento 26 para análisis. La electrónica de procesamiento 26 puede incluir una computadora con software apropiado para caracterizar la formación rocosa o material o estructura que circunda el pozo, que incluye producir imágenes 2D o 3D de la formación o el material alrededor del pozo 11.

En algunas modalidades, el dispositivo 9 completo que incluye los transductores 16 (o la fuente acústica direccional múltiple 30), el material no lineal 17, el dispositivo direccionador 20, y el receptor 24 se pueden mover hacia arriba y hacia debajo de la longitud del pozo 11 para formar imágenes de una formación particular cerca del pozo o investigar la estructura de la sarta de pozo. Sin embargo, en otras modalidades, la fuente acústica (por ejemplo, la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30) y el dispositivo direccionador 20 también se puede mover de forma independiente del receptor 24 (por ejemplo, en tanto que el receptor está fijo). Además, el dispositivo completo 9 con o sin el receptor 24 se puede girar alrededor del eje 15 del pozo 11 para formar imágenes de formaciones rocosas, estructuras, materiales, etc., en cualquier dirección acimutal alrededor del pozo 11.

La Figura 2A es una representación esquemática del receptor 24, de acuerdo a una modalidad de la presente invención. El receptor 24 comprende una pluralidad de elementos receptores 40. Los elementos receptores 40 pueden ser un arreglo de películas PVDF. En una modalidad, el arreglo se puede producir a partir de una sola lámina de PVDF con electrodos apropiadamente depositados en ambos lados de la película (o grabar un electrodo previamente metalizado sobre la superficie completa) y dejando un espacio entre elementos cercanos. Cada uno de estos electrodos entonces se comporta como un elemento receptor piezoeléctrico. Un tamaño de elemento de arreglo convencional puede ser aproximadamente 1 cm x 1 cm pero puede ser casi cualquier tamaño dependiendo de la resolución necesaria del experimento. En una modalidad, las líneas eléctricas se pueden establecer en la película o la lámina PVDF para conexiones eléctricas. La lámina completa con electrodos entonces se puede cubrir con una lámina muy delgada de material (por ejemplo, Mylar) para protección y cortos circuitos eléctricos. Por lo tanto, un arreglo lineal se puede envolver alrededor, como se muestra en la Figura 2B, como una configuración circular hecha alrededor de un material acústicamente absorbente (por ejemplo, espuma) para crear un arreglo circular que cubre 360 grados. Los elementos receptores 40 se montan en la superficie 42S de un material absorbente acústico (por ejemplo, espuma absorbente acústica, esponja o varios tipos de caucho de silicona) 42. La Figura 2C representa una representación esquemática del receptor 24, de acuerdo a otra modalidad de la presente invención. En esta modalidad, una lámina grande de película PVDF se puede utilizar para crear un arreglo bidimensional (es decir, un arreglo de matriz) de elementos receptores transductores 40. El arreglo de transductores 40 entonces se puede envolver alrededor de una configuración cilindrica para crear un arreglo que puede proporcionar cobertura completa de 360 grados alrededor del eje de la configuración cilindrica, además de la cobertura vertical a lo largo del eje de la configuración cilindrica. De esta forma, el arreglo de receptores no necesita girarse de forma física acimutalmente en el pozo. En este caso, filas o series verticales diferentes de capas PVDF o un arreglo unidimensional de películas PVDF dentro del arreglo bidimensional de película PVDF se puede seleccionar de forma electrónica para detectar señales acústicas. Convencionalmente, en operación, todos los elementos PVDF se pueden escanear primero en una ubicación dada para determinar la dirección a partir de la cual procede cualquier señal y entonces los arreglos verticales apropiados se pueden utilizar para rastrear esta señal. Electrónica de multiplexación de señales se puede utilizar para llevar a cabo este tipo de escaneo electrónico y la señal detectada se puede amplificar y digitalizar posteriormente. Como se muestra en las Figuras 2B y 2C, el material absorbente acústico 42 tiene una configuración cilindrica con una base circular. Sin embargo, como se puede apreciar, el material absorbente 42 puede tener cualquier configuración deseada tal como una configuración cilindrica con una base poligonal o base elíptica, u otra forma. Al montar los elementos reductores 40 en la superficie 42S del material absorbente 42, los elementos receptores 40 reciben señales acústicas desde el lado frontal de los elementos receptores 40 y no del lado posterior de los elementos receptores 40.

La Figura 3 es un diagrama esquemático de un sistema de medición de laboratorio o configuración experimental para probar el sistema de medición cuando se desarrolla en un entorno de pozo, de acuerdo a una modalidad de la presente invención. En la configuración experimental, el alojamiento 22 que incluye la fuente acústica (por ejemplo, la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30), el dispositivo direccionador de haz 20 y el receptor 24 se colocan dentro del pozo axial 11A en un cuerpo cilindrico (por ejemplo, un cuerpo cilindrico de cemento) 29 que simula el pozo 11 con una sarta de cemento. El sistema de medición acústica 9 incluye fuente acústica (por ejemplo, la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30), sistema de espejos 20 y receptor 24. En una modalidad, la fuente acústica (por ejemplo, la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30), medio ni lineal 17, sistema de espejos 20 y receptor 24 se colocan dentro del alojamiento 22. En una modalidad, el receptor 24 se configura de tal forma que sólo recibe señales acústicas desde el frente. El receptor 24 se protege de otras señales tal como señales de vuelta (es decir, señales que son incidentes en la parte posterior del receptor 24 se absorben mediante el absorbente 42). En una modalidad, el receptor 24 se configura para moverse con la fuente acústica (la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30). En otra modalidad, el receptor 24 puede moverse independientemente de la fuente acústica (la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30). A fin de probar la eficacia de este sistema de medición, se proporciona una muesca 25 en una periferia exterior o superficie exterior del cuerpo cilindrico 29 (por ejemplo, cuerpo cilindrico de concreto o cemento), como se explicará con detalle adicional en los siguientes párrafos.

En una modalidad, la fuente acústica (la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30) y el receptor 24 se configuran de tal forma que la dirección de haz de la fuente acústica (la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30), es decir, haz acústico 18, y la señal recibida 21 están en el mismo plano. En una modalidad, tanto la fuente acústica (la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30) y el receptor 24 se giran de forma acimutal de 0 a 360 grados. Sin embargo, en otra modalidad, sólo el espejo 20 se gira tanto que la fuente (la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30) y el receptor 24 están fijos. En efecto, al proporcionar el receptor 24 con una configuración cilindrica donde los elementos receptores 40 se colocan en la superficie de la configuración cilindrica, el receptor 24 es capaz de detectar una señal acústica en un ángulo de 0 a 360 grados sin tener que mover o girar el receptor 24. De forma similar, la fuente acústica (la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30) no necesitan reorientarse para que sea capaz de escanear un ángulo acimutal de campo deseado. El ángulo de campo acimutal se puede escanear al girar simplemente el dispositivo direccionador (por ejemplo, espejo 20) . El haz acústico emitido mediante la fuente acústica (la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30) se refleja mediante el dispositivo direccionador de haz (por ejemplo, espejo) 20 y se dirige como haz acústico 18 hacia la pared interior del cuerpo cilindrico de cemento 29. El haz acústico 18 interactúa con el material del cuerpo cilindrico 29, el cuerpo cilindrico exterior de material 29, la interfaz entre el alojamiento 22 y el cuerpo cilindrico 29, etc., y genera reflexiones, refracciones u ondas superficiales, o cualquier combinación de las mismas. En un primer escenario, el haz acústico, después de que se refleja mediante el espejo 20, puede someterse a una reflexión mediante el material del cuerpo cilindrico (por ejemplo, cuerpo cilindrico de cemento) 29 o la formación rocosa, o ambas. La señal acústica reflejada entonces se puede detectar mediante el receptor 24 . Este escenario es referido generalmente como un modo reflectante. En un segundo escenario, la señal acústica, después de que se refleja mediante el espejo 20, se puede refractar mediante el material del cuerpo cilindrico (por ejemplo, cuerpo cilindrico de cemento) 29 en la interfaz entre el cuerpo cilindrico de cemento 29 y la formación rocosa. La señal acústica refractada entonces se puede detectar mediante el receptor 24. Este escenario es referido generalmente como un modo refractivo. En aún un tercer escenario, la señal acústica, después de que se refleja mediante el espejo 20 puede generar ondas superficiales en la interfaz entre una superficie del pozo y el cemento en el cuerpo cilindrico 29 (o formación rocosa en un despliegue sobre el campo) o en limites de interfaz dentro del cemento (o formación rocosa).

Las ondas superficiales emitirán señales acústicas de retorno que se pueden detectar mediante el receptor 24. Este escenario es generalmente referido como un modo de onda superficial.

La Figura 4A ilustra una característica de la señal de pulso de haz emitida mediante la fuente acústica paramétrica colocada dentro del pozo en una configuración experimental de laboratorio, de acuerdo a una modalidad de la presente invención. El patrón de señales de haz acústico 45 en la superficie exterior del cuerpo cilindrico 29 como una función del tiempo (dominio del tiempo) se mide utilizando un vibrómetro láser Doppler. La forma de onda de la señal 45 se muestra en la Figura 4A. La Figura 4B es una transformada rápida de Fourier (FFT) de la señal de haz acústico 45 para obtener la señal en el dominio de la frecuencia. El ancho de banda de frecuencia de la señal 45 se puede extraer a partir de la FFT que muestra un ancho de banda de frecuencia amplio entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 120 kHz.

Las características únicas de la fuente acústica (la fuente acústica 16 con el material mezclador 17 o la fuente acústica 30) se pueden combinar con varios elementos o módulos receptores 40 en un sistema de medición para realizar mediciones sónicas de pozo acimutales, formación de imágenes de tercera dimensión (3D) por reflexión de un pozo, formación de imágenes 3D por refracción, detección 3D de fracturas, mapeo 3D de permeabilidad, y mapeo 3D de canales entre el cuerpo cilindrico de cemento y la formación rocosa.

Debido a la alta directividad del pulso de haz, muchas de las deficiencias de los sistemas de medición acústica de pozos existentes citados anteriormente se pueden reducir al mínimo. Como se analizará más adelante, el sistema tiene buena resolución acimutal así como control de dirección de inclinación. En una modalidad, la resolución angular acimutal está entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 15 grados, por ejemplo 10 grados. Esta nueva capacidad permite la extensión de la medición acústica de pozo a medición completa 3D (la 3era dimensión que es el ángulo acimutal).

La Figura 5 representa datos recolectados como una función de tiempo de propagación, distancia entre elementos receptores y fuente de haz acústico y ángulo acimutal en un experimento que utiliza la configuración experimental mostrada en la Figura 3, de acuerdo a una modalidad de la presente invención. En este experimento la fuente de haz se dirige en la formación rocosa en un ángulo acimutal y un ángulo de inclinación, y el receptor lineal 24 con elementos receptores 40 se orienta para detectar la señal de retorno en los mismos ángulos acimutales como el haz de fuente, como se muestra en la Figura 6. El montaje completo de la fuente, el espejo y el receptor se giran de forma acimutal en pasos incrementales de 10 grados y los datos de señales acústicas de retorno se graban para todos los elementos receptores para cada incremento acimutal. La Figura 5 muestra cinco paneles marcados como panel 1 a panel 5 (Pl, P2, P3, P4 y P5). Cada panel corresponde a datos presentados para una medición de acimut (es decir, el ángulo acimutal). Cada ángulo acimutal de 10 grados (es decir, 0 grados, 10 grados, 20 grados, etc.) corresponde a un panel diferente (Pl a P5). La coordenada y en cada panel representa el tiempo de llegada de la señal detectada en los varios elementos receptores 40. La coordenada x en cada panel corresponde a la distancia del elemento receptor vertical a la fuente. La escala de grises de la visualización corresponde a la amplitud de la señal acústica recibida. Dentro de cada panel se muestra una pluralidad de puntos de datos 58. Cada uno de estos puntos 58 corresponde a una señal detectada por uno de la pluralidad de elementos receptores 40 del receptor 24. En este ejemplo, el receptor 24 está provisto con 12 elementos receptores 40. Por lo tanto, se detectan 12 puntos de datos mediante el receptor 24, cada punto que corresponde a una señal detectada mediante uno de los 12 elementos receptores 40. Cada uno de los 12 puntos de datos tiene un tiempo de llegada diferente que corresponde a la llegada de la señal para cada uno de los 12 elementos receptores 40. Como se muestra en la Figura 5, la primera llegada de señal lineal 50 corresponde a una onda de refracción por compresión de ondas P comúnmente medida en registro sónico. La segunda y tercera llegada de señal lineal 52 y 54 corresponde a ondas superficiales tal como Rayleigh Stonelcy u ondas Lamb. La llegada de señales debido a reflexión desde la interfaz de cemento/aire en el perímetro del cuerpo cilindrico se muestra en 56.

La Figura 7 representa datos de reflexión obtenidos en un experimento similar a los datos mostrados en la Figura 5 pero después de realizar procesamiento de señales para filtrar las llegadas lineales. Existen 36 paneles P1-P36 y cada panel corresponde a un ángulo acimutal y los 36 paneles varían de 0 a 180 grados. Por ejemplo, el panel P1 corresponde al ángulo acimutal de 0 grados. La coordenada y representa el tiempo de llegada en el receptor 24. La coordenada y en cada panel representa el tiempo de llegada de la señal detectada en los varios elementos receptores 40. La coordenada x en cada panel corresponde a la distancia vertical desde el elemento receptor a la fuente. La escala de grises de la visualización corresponde a la amplitud de la señal acústica recibida. Dentro de cada panel, es decir, dentro de cada intervalo de ángulo acimutal, se pueden observar curvas tipo hipérbola 59. Cada curva 59 corresponde a datos de una señala detectada mediante un solo elemento receptor 40 en el receptor 24. La serie de patrones de onda 60 y 62 corresponden a una reflexión de un perímetro o periferia exterior del cuerpo cilindrico de cemento 29 en tanto que el patrón de onda 64 corresponde a una reflexión desde una superficie de la muesca 25 (en una interfaz del cemento y el aire). Como se puede señalar, las ondas reflejadas de la superficie de la muesca 25 llegan al receptor 24 antes que las ondas reflejadas de la superficie cilindrica del cuerpo cilindrico 29. Además, la posición de la muesca 25 se puede determinar al usar el método y sistema de medición acimutal descritos en la presente. El presente método logra excelente resolución acimutal lo que permite detectar defectos dentro de una estructura tal como dentro de una sarta dentro de un pozo o en una interfaz del pozo y la formación rocosa, etc. Por ejemplo, como se puede señalar en la Figura 7, la muesca 25 se puede colocar en ángulos acimutales específicos o dentro de un intervalo angular acimutal permitiendo una determinación de una posición o ubicación de una estructura, tal como un defecto estructural, una fractura, o similares.

La Figura 8 representa una visualización de datos diferentes del mismo experimento con una clasificación diferente. Existen 12 paneles (de P1 a P12) en la Figura 8. Cada panel (Pl, P2,..., P12) corresponde a datos de señales detectadas mediante uno de los 12 elementos receptores 40 en el receptor 24. Dentro de cada panel (por ejemplo, panel Pl) la coordenada x representa el ángulo acimutal (en el intervalo de 0 grados a 360 grados). La coordenada y representa el tiempo de llegada en cada uno de los 12 elementos receptores 40 del receptor 24. La escala de grises de la visualización corresponde a la amplitud de la señal acústica recibida. Como se puede observar en la Figura 8, la reflexión de la muesca 25 se detecta mediante alguno de los elementos detectores 40 (por ejemplo, en los panales P1 hasta P4) y no mediante otros elementos detectores (por ejemplo, en los paneles P9 hasta P12). Además, se puede señalar que para el panel P1 por ejemplo, la muesca 25 es claramente visible en el medio del panel que corresponde a un ángulo acimutal de aproximadamente 90 grados. La razón para detectar la muesca 25 con elementos receptores específicos 40 (paneles P1 hasta P4) y no mediante otros elementos receptores 40 (panales P9 hasta P12) es debido al hecho de que el haz acústico 18 tiene una dispersión de elevación angular específica y por lo tanto se refleja de forma selectiva a los elementos detectores específicos 40. Por lo tanto, los elementos detectores 40 (que corresponden a los paneles P9 hasta P12) que están fuera del haz de onda acústica disperso, reflejado, difractado de la muesca 25 no son capaces de detectar el haz reflejado, difractado, disperso de la muesca 25. Sin embargo, como se puede apreciar, si el receptor 24 se mueve verticalmente, otros elementos receptores 40 dentro del receptor 24 entonces pueden detectar la señal reflejada, difractada o dispersa mediante la muesca 25. En este caso, la muesca entonces se puede observar en los paneles P6 hasta PIO si la inclinación de la muesca cambia, a manera de ejemplo. Por lo tanto, el presente sistema de medición no sólo es capaz de resolver una posición de una estructura en un ángulo acimutal, sino que también en un ángulo de elevación.

Además, la información de elevación se puede utilizar para determinar una orientación de la estructura (por ejemplo, muesca 25). Por ejemplo, en el experimento de laboratorio descrito en los párrafos anteriores, la muesca 25 es paralela al eje del pozo en el cuerpo cilindrico de cemento 29. Sin embargo, la muesca 25 también se puede colocar oblicua, es decir, en un ángulo con respecto al eje de pozo, en cuyo caso, la información de elevación angular que depende de la orientación de la muesca 25 puede ser diferente. En efecto, dependiendo de la orientación angular de la estructura (por ejemplo, muesca 25) con respecto al eje de pozo, el haz reflejado, difractado mediante la muesca 25 se puede dirigir de forma preferente a elementos receptores específicos 40. Como resultado, la muesca 25 se puede observar en los datos o imagen graficada en diferentes paneles (por ejemplo, en los paneles P7 y P8). Al determinar en cuáles paneles se detecta la muesca 25, es posible inferir la inclinación angular de la muesca 25.

La Figura 9 representa otro experimento en el cual la orientación del receptor 24 está fija (es decir, el receptor no se gira) y el espejo se gira de forma acimutal entre 0 y 360 grados en un incremento de 20 grados. Los 19 paneles se presentan con cada panel corresponden a datos de señales grabados con un solo ángulo acimutal de 0 grados a 360 grados ángulo acimutal en incremento de 20 grados. La coordenada y representa el tiempo de llegada en los elementos receptores 40 del receptor 24. La coordenada x en cada panel corresponde a la distancia vertical entre el elemento receptor y la fuente. La escala de grises de la visualización corresponde a la amplitud de la señal acústica recibida. Los datos muestran claramente resolución excelente de acimut con la energía máxima de las llegadas lineales que se presenta cuando se alinea la orientación de haz y la orientación de recepción del receptor. Esto muestra que la ruta de propagación es más bien estrecha en extensión y no se propaga demasiado de forma acimutal.

Las Figuras 10A y 10B representan una configuración acústica experimental, de acuerdo a otra modalidad de la presente invención. La Figura 10A es una vista esquemática longitudinal de la configuración experimental y la Figura 10B es una vista superior de la configuración experimental. La configuración experimental incluida es similar en muchos aspectos a la configuración experimental mostrada esquemáticamente en la Figura 3. El cuerpo cilindrico de cemento 22 se alinea con una sarta interior de acero arreglada de forma axial 100. Una tubería o tubo 102 se incrusta dentro del cuerpo cilindrico de cemento 22. Una muesca 25 también se corta o graba en una superficie exterior del cuerpo cilindrico de cemento 22. Una hoja de separación 104 (por ejemplo, hoja de aluminio) se proporciona dentro del alojamiento 22. En esta modalidad, la hoja de separación 104 se coloca en contacto con la sarta interior 100. Dentro de la sarta 100 del cuerpo cilindrico de cemento 22 se coloca la fuente acústica 16, 30, el material no lineal 17, el espejo 20 y el receptor 24. Como se muestra en la Figura 10B, los ejes se dibujan para indicar la orientación angular acimutal (la orientación de los dos ejes es arbitraria). La muesca 25 se coloca en ángulo acimutal entre aproximadamente 230 grados y aproximadamente 280 grados. La tubería o tubo 102 se coloca en un ángulo acimutal entre aproximadamente 80 grados y aproximadamente 100 grados. La hoja de separación (por ejemplo, hoja de aluminio) se coloca en un ángulo acimutal entre aproximadamente 140 grados y aproximadamente 190 grados.

Las Figuras 11A-11C muestran gráficos de los datos medidos para varias orientaciones o ángulos acimutales, respectivamente, en aproximadamente 320 grados, en aproximadamente 90 grados, y en aproximadamente 165 grados, de acuerdo a una modalidad de la presente invención. La orientación o ángulo acimutal de aproximadamente 320 grados (Figura 11A) corresponde a la orientación del haz acústico en una región donde no existe inclusión detrás de la sarta interior 100, es decir, sólo existe la pared del cuerpo cilindrico de cemento. La orientación o ángulo acimutal de aproximadamente 90 grados (Figura 11B) corresponde a la orientación del haz acústico en una región donde está incluido el tubo (por ejemplo, tubería plástica) 102. La orientación o ángulo acimutal de aproximadamente 165 grados (Figura 11C) corresponde a la orientación del haz acústico en una región donde se proporciona la hoja de separación (por ejemplo, hoja de aluminio) 104. En este gráfico, la coordenada y corresponde al tiempo que pasa a que la onda acústica se reciba por el receptor 24, la coordenada x en cada panel corresponde a la distancia vertical del elemento receptor desde la fuente. Las varias curvas en cada gráfico corresponden a las señales acústicas recibidas mediante los varios elementos receptores 40 en el receptor 24. En este ejemplo, se proporcionan 12 elementos receptores 40 en el receptor 24. Sin embargo, se puede utilizar cualquier número de elementos receptores. La curva más cercana a la coordenada x corresponde a la señal detectada por el primer elemento receptor y la curva más lejana a la coordenada x corresponde a la señal detectada por el 12° elemento receptor. El primer elemento receptor es el elemento receptor que está más cerca a la fuente acústica 16, 30 y el 12° elemento receptor es el elemento receptor que está más lejos de la fuente acústica 16, 30.

Como se muestra en la Figura 11A, sin inclusión detrás de la sarta interior 100, las ondas superficiales decaen con la distancia a lo largo del pozo, es decir, decaen desde el primer elemento receptor al 12° elemento receptor. Como se muestra en la Figura 11C, con la deslaminación o la hoja de separación 104 detrás de la sarta 100, la amplitud de las ondas superficiales es mayor y decae más lentamente como se espera debido a que la tubería de acero no se humedece por el contacto con el cemento (es decir, la hoja de aluminio porta las ondas acústicas más lejos a lo largo del pozo). Como se muestra en la Figura 11B, en ángulos de acimut que corresponden a la tubería 102, la amplitud de onda superficial es mayor y también decae más lentamente. Además de la onda superficial, una llegada lineal rápida justo detrás de la primera llegada de onda P se graba que indica desplazamiento de modo de onda adicional a lo largo de la pared de la tubería 102. Estos datos de medición muestran claramente que la información acimutal de la formación rocosa detrás de la sarta de acero se puede deducir a partir de llegadas lineales utilizando un sistema de medición acústica de pozo.

Además de la capacidad de cambiar la orientación acimutal del haz de fuente acústica al cambiar la dirección angular acimutal del espejo 20, la inclinación del espejo 20 también se puede cambiar para enviar el haz de fuente acústica a lo largo de cualquier dirección vertical. Esto permite que el haz de fuente acústica se inyecte en diferentes inclinaciones y direcciones acimutales para sondear límites de reflexión, límites de refracción y fracturas de diferentes orientaciones en la formación rocosa. Los datos se pueden analizar posteriormente utilizando varios métodos convencionales. El análisis de las llegadas de refracción junto con la resolución acimutal puede proporcionar formación de imágenes 3D de la velocidad mediante análisis de refracción. Esto puede proporcionar una mejor caracterización de alteración cerca del pozo y caracterización de la corteza de yacimientos.

En una modalidad, los datos de medición se recolectan utilizando pulso de haz de banda ancha. De esta forma, la información con la banda ancha de frecuencia amplia se puede recolectar relativamente rápido. En efecto, en este caso, no es necesario barrer la frecuencia por chirrido. Además, en una modalidad, el uso de múltiples fuentes acústicas para cubrir la totalidad del ancho de banda, por ejemplo, entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 120 kHz, puede no ser necesario. El pulso de haz acústico con banda ancha amplia, por ejemplo entre aproximadamente 15 kHz y aproximadamente 120 kHz, puede proporcionar mediciones que pueden proporcionar información sobre la unión de cemento entre el cemento y la formación rocosa en un pozo.

El presente sistema de medición se puede utilizar para evaluar una sarta de cemento o sarta de acero en un pozo. Una simulación de propagación de ondas guiadas a través de la sarta de acero cuando un pulso de haz de sonido interactúa con la sarta de acero se realiza bajo ciertas condiciones geométricas. En esta simulación, una capa de 25 mm de grosor de cemento se utiliza entre la sarta de acero y arenisca Berea. La Berea se considera infinita en extensión. También se asume que el pozo está lleno de agua y existe sumidero de energía a lo largo del eje del pozo. Las simulaciones se llevaron a cabo utilizando el paquete de software DISPERSE de parte de Imperial College, UK.

Las Figuras 12A-12C muestran gráficos de la simulación acústica en el intervalo de frecuencia de 20-120 kHz para varias condiciones. Los datos en estos gráficos se capturan en el caso donde el pozo está lleno de agua. Cada conjunto de datos se genera bajo diferentes condiciones pero en cada caso el receptor está a una distancia de 12 pulgadas (30.48 centímetros) del punto de excitación en la sarta de acero en la dirección axial. Estos datos muestran las características de propagación de un pulso de sonido (chirrido de frecuencia) de duración de 100 microsegundos con una gama de frecuencia de 20-120 kHz y con una envolvente gaussiana. Las gráficas en el lado izquierdo muestran la amplitud de la señal acústica recibida como una función del tiempo y las gráficas del lado derecho muestran la transformada rápida de Fourier de la señal acústica al dominio de la frecuencia donde la amplitud se gráfica como una función de la frecuencia. La Figura 12A es un gráfico de los datos capturados con agua - acero - concreto - aire, donde existe un espacio de aire entre el concreto y la arenisca Berea. La Figura 12B es un gráfico de los datos con agua - acero - concreto - agua - Berea, donde existe un espacio de agua (por ejemplo, un espacio de 1 mm) entre el concreto y la Berea. La Figura 12C es un gráfico de los datos capturados con agua - acero - concreto - Berea, donde todo son las interfaces entre el agua, acero, concreto y Berea están en contacto físico.

Las gráficas representadas en las Figuras 12A-12C muestran diferencias significativas entre éstos en términos de características de la señal. Cuando el concreto está en buen contacto con la arenisca Berea, la energía de las ondas a través del acero se disipa en la Berea y la amplitud observada es más bien baja (como se muestra en la Figura 12C). Cuando existe una separación o espacio entre el concreto y la Berea, el nivel de señal es mayor (como se muestra en las Figuras 12A y 12B).

El segundo conjunto de gráficas en el lado derecho que representa a la amplitud de la señal versus la frecuencia muestra el contenido de frecuencia de la señal recibida. Frecuencias más altas se amortiguan cuando el concreto y la Berea están en buen contacto (como se muestra en la Figura 12C). Además, como se puede señalar en la Figura 12B, la presencia de agua entre el concreto y la Berea confina la energía a tiempos más prontos y el contenido de frecuencia también se estrecha. Como se muestra en la Figura 12A, cuando el concreto está en buen contacto con la Berea, la señal se dispersa en el tiempo con la llegada principal retardada de forma significativa. Las diferencias entre los distintos escenarios se puede observar fácilmente en estos gráficos. Los datos simulados muestran que el método o sistema de medición descrito se puede utilizar de forma efectiva para evaluación de cementación alrededor de una sarta de pozo.

Las Figuras 12A-12C anteriores muestran el contenido de frecuencia de la señal propagada bajo varias condiciones de integridad de sarta de pozo en referencia con el concreto y la formación rocosa de Berea detrás de ésta. Por lo tanto, no se puede observar en estas Figuras cuáles frecuencias se propagan y a qué intensidades en diferentes tiempos. Otra forma de ver la información presentada en las Figuras 12A-12C puede ser con base en un análisis de frecuencia-tiempo de unión de los datos que utilizan un enfoque de transformada corta de Fourier (STFT, por sus siglas en inglés). Esto proporciona el contenido de frecuencia de la señal como una función del tiempo y por lo tanto permite que se vean las frecuencias que son prominentes en ciertos tiempos durante la propagación. Por lo tanto, el análisis STFT de los datos mejora la información provista mediante las Figuras 12A-12C e introduce un enfoque de análisis poderoso.

Las Figuras 13A-13C muestran los datos de propagación de chirrido de frecuencia simulados, originales junto con el análisis de tiempo-frecuencia de los mismos datos. Los gráficos en el lado derecho representan la información de tiempo-frecuencia en 3D para cada una de las simulaciones analizadas anteriormente con referencia a las Figuras 12A-12C, respectivamente. El eje x corresponde al tiempo, y el eje y corresponde a la frecuencia, y el eje z o eje vertical corresponde a la amplitud. En la Figura 13A, como se muestra en el gráfico 3D, donde el concreto se separa del resto del sistema y no se ve la formación rocosa, la energía en las ondas se propaga a través de tres diferentes velocidades y esto da lugar a tres picos en un intervalo de tiempo de 0.1 segundos. También se señala que la onda también llega relativamente rápido, después de 0.1 segundos. En la Figura 13B, como se muestra en el gráfico 3D, la situación es que existe un espacio de 1 mm relleno con agua entre el cemento y la formación rocosa. Las características de propagación de la onda acústica son completamente diferentes de las características de propagación de la onda acústica mostrada en la Figura 13A. En efecto, toda la energía parece estar agrupada y se propaga relativamente rápido a través de la sarta y el cemento y la propagación no se influencia por la formación rocosa como si las dos partes estuvieran aisladas. La Figura 13C representa la situación donde todas las capas están estrechamente acopladas (sarta de acero, cemento y la formación rocosa). Como se muestra en el gráfico 3D en la Figura 13C, la presencia de la formación rocosa tiene una influencia de carga fuerte sobre la propagación de la onda y la propagación de la onda se retarda de forma significativa y el pico de energía principal llega con un retardo de casi 0.5 segundos. Estos tres ejemplos muestran cómo las distintas separaciones o acoplamientos entre las capas se pueden detectar por este tipo de análisis y mediciones.

Además, al proporcionar resolución acimutal en las mediciones acústicas de pozo, la caracterización de la roca se puede mejorar y por lo tanto se mejoran los sistemas de ingeniería de producción. Además, al proporcionar resolución acimutal en la medición acústica de peso, la integridad del pozo se puede evaluar y por lo tanto se mejora la seguridad de perforación total. Además, la resolución acimutal en las mediciones de pozo pueden permitir la medición de un esfuerzo que circunda al pozo y como resultado se mejora la metodología de finalización de pozo.

Además, el sistema y método de medición acústica de pozo descritos se pueden utilizar también para formar imágenes de la formación rocosa, en realidad, los presentes sistema y método de medición pueden llenar un espacio de medición entre las herramientas sónicas convencionales que investigan a menos de un pie (aproximadamente 33 cm) del pozo con relativamente una buena resolución vertical y herramientas de formación de imágenes sónicas de largo alcance convencionales tal como estudio de reflexión acústica de pozo (BARS, por sus siglas en inglés), de Schlumberger Corporation, que investiga la formación rocosa a decenas de pies del pozo pero con menor resolución vertical y resolución acimutal limitada. Por ejemplo, el presente método y sistema de medición acústica se pueden utilizar en varias aplicaciones que incluyen: 1. Formación de imágenes 3D de capas de yacimientos, estratigrafía, fracturas, fallas, cavidades (hasta unos pocos pies tal como 10 pies (3.04 metros) del pozo) con resolución de acimut completa. 2. Medición de velocidad compresional VP y velocidad de cizallamiento Vs de la formación rocosa con determinación de acimut completa. 3. AAnnáálliissiiss 3D de propiedades geomecánicas alrededor de pozos a partir de análisis de ondas de refracción y ondas Lamb para mejorar la caracterización de la zona de invasión y cualquier daño del pozo. 4. Formación de imágenes 3D de la velocidad de la formación rocosa cerca del pozo utilizando análisis de refracción. 5. Mapeo 3D de fracturas a partir de reflexiones de llegadas lineales. 6. Mapeo 3D de permeabilidad y corteza de producción de yacimientos. 7. Enfoque del haz acústico con pulsos gaussianos de código de fase en el menor intervalo de frecuencia, por ejemplo, entre aproximadamente 10 kHz y aproximadamente 30 kHz para penetración más profunda en la formación rocosa en tanto que se discrimina el ruido de fondo.

Por ejemplo, en una modalidad, la medición de la velocidad compresional y/o de cizallamiento de la formación rocosa en la vecindad del pozo en una pluralidad de ángulos acimutales utilizando el sistema de medición descrito anteriormente puede proporcionar información valiosa con relación el esfuerzo alrededor del pozo permitiendo por lo tanto determinar o predecir posición de fractura potencial y/o propagación de fractura con la formación rocosa en la vecindad del pozo. Se conoce que las formaciones que tienen variaciones de velocidad relativamente mayores están ya sea relativamente menos consolidadas, o es más grande el esfuerzo en la formación. En ambas situaciones, se puede proporcionar una indicación como la probabilidad de que el pozo colapse. El sistema de medición acústica descrito en los párrafos anteriores puede proporcionar información sobre las velocidades como una función del ángulo acimutal y/o ángulo de elevación dentro de la formación rocosa alrededor del pozo. Utilizando la velocidad como una función del ángulo acimutal o el ángulo de elevación se puede a su vez proporcionar el ángulo acimutal y/o de inclinación de varias áreas de esfuerzo y/o fracturas, fallas, etc., y por lo tanto se puede proporcionar por último la información sobre la anisotropía del campo de esfuerzo de la tierra alrededor del pozo. Además, la posición de una fractura o falla se puede mapear en tres dimensiones (mapeo 3D) utilizando los datos adquiridos como una función del ángulo acimutal y de elevación.

El sistema y método de medición descritos anteriormente también se pueden utilizar en el mapeo de permeabilidad de fluidos de formaciones del subsuelo tal como sub-superficies penetradas por un pozo que incluye permeabilidad debido a fracturas en la formación rocosa. Por ejemplo, esto se puede realizar al medir velocidades (velocidad de compresión o velocidad de cizallamiento u ondas superficiales o cualquier combinación de las velocidades citadas) en varios puntos dentro de la formación rocosa alrededor del pozo. Con base en la velocidad medida, la permeabilidad se puede extraer utilizando varios modelos conocidos.

En una modalidad, el método o métodos descritos anteriormente se pueden implementar como una serie de instrucciones que se pueden ejecutar mediante una computadora. Como se puede apreciar, el término "computadora" como se utiliza en la presente engloba cualquier tipo de sistema de cómputo o dispositivo que incluye una computadora personal (por ejemplo, una computadora de escritorio, una laptop, o cualquier otro dispositivo de computación de mano), o una computadora central (por ejemplo, un sistema central de IBM), o una súper-computadora (por ejemplo, una computadora CRAY), o una pluralidad de computadoras en red en un entorno distribuido de computación.

Por ejemplo, los métodos se pueden implementar como una aplicación de programa de software que se pueda almacenar en un medio legible por computadora tal como discos duros, CDROM, discos ópticos, DVD, discos ópticos magnéticos, RAM, EPROM, EEPROM, tarjetas magnéticas u ópticas, tarjetas flash (por ejemplo, una tarjeta flash USB), tarjetas de memoria PCMCIA, tarjetas inteligentes u otros medios.

De forma alternativa, una porción o todo el producto de programa de software se puede descargar a partir de una computadora o servidor remoto mediante una red tal como la internet, una red ATM, una red de área amplia (WAN, por sus siglas en inglés) o una red de área local.

De forma alternativa, en lugar o además de implementar el método como productos de programa informáticos (por ejemplo, productos de software) incorporados en una computadora, el método se puede implementar como hardware en el cual, por ejemplo, un circuito integrado de aplicación específica (ASIC, por sus siglas en inglés) se puede diseñar para implementar el método.

La Figura 15 es un diagrama esquemático que representa un sistema informático 130 para implementar los métodos, de acuerdo a una modalidad de la presente invención. Como se muestra en la Figura 15, el sistema informático 130 comprende el procesador (por ejemplo, uno o más procesadores) 132 y una memoria 134 en comunicación con el procesador 132. El sistema informático 130 puede incluir además un dispositivo de entrada 136 para introducir datos (tal como teclado, un ratón o similares) y un dispositivo de salida 138 tal como un dispositivo de visualización para visualizar resultados del cómputo. El sistema informático 130 se puede configurar para controlar distintos módulos que incluyen un módulo de control 14Q para controlar el generador de señales 12, un módulo de control 142 para controlar el direccionamiento del espejo 20, y electrónica de adquisición 26 para adquirir los datos de medición. Los datos de medición se pueden almacenar en un dispositivo de almacenamiento (por ejemplo, una unidad flash) para visualización o procesamiento posterior, etc.

En una modalidad, se proporciona un sistema para investigar estructura cerca de un pozo. El sistema incluye una fuente acústica configurada para generar una onda acústica y dirigir la onda acústica en uno o más ángulos acimutales hacia una ubicación deseada en una vecindad de un pozo. El sistema incluye además uno o más receptores configurados para recibir una señal acústica, la señal acústica que se origina a partir de una reflexión o una refracción de la onda acústica mediante un material en la ubicación deseada. El sistema también incluye un procesador configurado para realizar procesamiento de datos en la señal recibida para analizar la señal acústica recibida para caracterizar las características del material alrededor del pozo .

Aunque la invención se ha descrito en detalle para el propósito de ilustración con base en lo que se considera actualmente que van a ser las modalidades más prácticas y preferidas, se va a entender que estos detalles son solamente para aquel propósito y que la invención no se limita a las modalidades descritas, sino que, por el contrario, se propone que cubra modificaciones y arreglos equivalentes que están dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, se va a entender que la presente invención contempla que, a la medida de lo posible, una o más características de cualquier modalidad se pueden combinar con una o más características de cualquier otra modalidad.

Además, ya que varias modificaciones y cambios se les ocurrirán fácilmente a aquellos expertos en la téenica, no se desea limitar la invención a las construcciones y operaciones exactas descritas en la presente. En consecuencia, todas las modificaciones y equivalentes adecuadas se deben considerar como que caen dentro del espíritu y alcance de la invención.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la presente invención, es el que resulta claro a partir de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un método para investigar la unión de cemento o la estructura de una formación rocosa cerca de un pozo, caracterizado porque comprende: generar una haz acústico colimado mediante una fuente de haz acústico, el haz acústico colimado que tiene una frecuencia en el intervalo de frecuencia entre aproximadamente 15 kHz y 120 kHz; dirigir en uno o más ángulos acimutales y en uno o más ángulos de inclinación el haz acústico colimado hacia una ubicación seleccionada en una vecindad de un pozo; recibir, en un detector acústico que comprende un arreglo bidimensional de elementos receptores, una señal acústica, la señal acústica que se origina a partir de una reflexión, una refracción, o una propagación de onda superficial, o cualquier combinación de las mismas, del haz acústico colimado mediante un material en la ubicación seleccionada en un intervalo angular acimutal, cada elemento receptor en el arreglo bidimensional de elementos receptores que se configura para recibir una porción de la señal acústica que corresponde a una porción del intervalo angular acimutal, el arreglo bidimensional de elementos receptores que se coloca en una superficie de un miembro cilindrico que se separa para proporcionar un espacio entre los elementos receptores cercanos, el arreglo bidimensional de elementos receptores que comprende una película piezoeléctrica; y analizar la señal acústica recibida para caracterizar las características del material alrededor del pozo.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la generación del haz acústico colimado comprende transmitir una primera onda acústica y una segunda onda acústica en un medio acústicamente no lineal para producir el haz acústico colimado mediante un proceso mezclador no lineal, en donde el haz acústico colimado se propaga a través del medio no lineal en una misma dirección como una dirección inicial de la primera y segunda onda acústica y tiene una frecuencia igual a una diferencia entre una frecuencia de la primera onda acústica y una frecuencia de la segunda onda acústica.

3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el medio no lineal incluye uno o más de una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas incrustadas, o una emulsión.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la generación del haz acústico colimado comprende generar el haz acústico colimado utilizando una pluralidad de transductores arreglados en un arreglo.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la dirección del haz acústico colimado comprende dirigir el haz acústico colimado utilizando un dispositivo de guía direccionador.

6. El método de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque la dirección del haz acústico colimado comprende utilizar un dispositivo de enfoque que incluye un reflector acústico, una lente acústica o ambos.

7. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende además codificar el haz acústico colimado con un código que varía en el tiempo al introducir un componente que varía en el tiempo que incluye uno o más de un chirrido o barrido de frecuencia a una de la primera y la segunda señal acústica.

8. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque los componentes que varían en el tiempo comprenden una variación en amplitud, frecuencia o fase, o cualquier combinación de las mismas.

9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque los componentes que varían en el tiempo comprenden una variación en amplitud, frecuencia o fase, o cualquier combinación de las mismas.

10. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el análisis comprende analizar la señal acústica recibida después de que se ha reflejado o retrodispersado a partir de las carencias de homogeneidades en la formación rocosa o materiales que circundan el pozo, o ambos para generar una imagen que proporciona la información sobre la unión de cementación, varias fracturadas, u otros defectos.

11. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además mover la fuente acústica y el detector acústico como un todo a lo largo de un eje de pozo.

12. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además mover el detector acústico de forma independiente de la fuente acústica a lo largo del eje de pozo.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además seleccionar un tamaño de los elementos receptores para lograr una resolución angular acimutal deseada de la señal acústica recibida entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 15 grados.

14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además seleccionar de forma electrónica una pluralidad de elementos receptores en el arreglo bidimensional de elementos receptores para recibir la señal acústica sin girar el arreglo bidimensional de elementos receptores.

15. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la película piezoeléctrica comprende una película de difluoruro de polivinilideno (PVDF).

16. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además colocar la fuente acústica y el detector acústico dentro de un alojamiento y colocar el alojamiento dentro de un pozo.

17. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además mover la fuente acústica de forma independiente del detector acústico.

18. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además girar la fuente acústica, el detector acústico o ambos de forma acimutal alrededor de un eje de pozo.

19. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la caracterización de las características del material alrededor del pozo comprende detectar una fractura en una sarta de cemento del pozo, un espacio entre la sarta de cemento y la formación rocosa, o un espacio entre la sarta de cemento y una sarta de metal del pozo, o cualquier combinación de los mismos con una resolución acimutal entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 15 grados.

20. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la caracterización de las características del material alrededor del pozo comprende formar imágenes de capas del yacimiento, estratigrafía, fracturas o fallas, o cualquier combinación de las mismas con una resolución acimutal entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 15 grados.

21. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la caracterización de las características del material alrededor del pozo comprende medir la velocidad compresional, velocidad de cizallamiento de la formación rocosa, o ambas con determinación del acimut.

22. El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la caracterización de las características del material alrededor del pozo comprende detectar heterogeneidades detrás de las tuberías o canalizaciones.

23. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la caracterización comprende realizar análisis 3D de propiedades geomecánicas alrededor de pozos a partir del análisis de ondas de refracción y ondas Lamb para mejorar la caracterización de la zona de invasión y cualquier daño del pozo.

24. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la caracterización comprende realizar formación de imágenes 3D de la velocidad de la formación rocosa cerca del pozo utilizando análisis de refracción.

25. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la caracterización comprende realizar mapeo 3D de fracturas a partir de reflexiones de llegadas lineales.

26. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la caracterización comprende realizar mapeo 3D de permeabilidad y corteza de producción del yacimiento.

27. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la generación del haz acústico colimado comprende generar un haz acústico colimado con pulsos gaussianos de código de fase en el menor intervalo de frecuencia entre aproximadamente 10 kHz y aproximadamente 30 kHz para penetración más profunda en la formación rocosa.

28. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el análisis de la señal acústica recibida para caracterizar las características del material alrededor del pozo comprende realizar un análisis de tiempo-frecuencia de la señal acústica recibida.

29. El método de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque comprende además determinar un contenido de frecuencia de la señal acústica recibida como una función de tiempo para determinar las frecuencias que son prominentes en ciertos tiempos durante la propagación.

30. El método de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque la elaboración del análisis de tiempo-frecuencia comprende realizar un análisis de transformada corta de Fourier (STFT).

31. El método de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque la elaboración del análisis de tiempo-frecuencia comprende determinar una presencia de un espacio entre la sarta de cemento y la formación rocosa, o un espacio entre la sarta de cemento y una sarta de metal de un pozo, o cualquier combinación de las mismas con una resolución acimutal entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 15 grados.

32. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además dirigir el haz acústico colimado generado utilizando un dispositivo direccionador generalmente hacia abajo en una dirección de un eje de pozo por delante de una broca de perforación hacia una formación rocosa y detectar mediante el detector acústico una onda acústica reflejada a partir de una o más capas dentro de la formación rocosa.

33. El método de conformidad con la reivindicación 32, caracterizado porque comprende además determinar una posición de una o más capas con base en la onda acústica recibida reflejada.

34. El método de conformidad con la reivindicación 32, caracterizado porque comprende además determinar una cantidad de inclinación de las una o más capas con base en una orientación del haz acústico colimado generado y la onda acústica recibida detectada.

35. Un sistema para investigar la unión de cementación o estructura de formación rocosa cerca de un pozo, caracterizado porque comprende: una fuente acústica configurada para generar un haz acústico colimado y dirigir el haz acústico colimado en uno o más ángulos acimutales hacia una ubicación seleccionada en una vecindad de un pozo, el haz acústico colimado que tiene una frecuencia en el intervalo de frecuencia entre aproximadamente 15 kHz y 120 kHz; un detector acústico que comprende un arreglo bidimensional de elementos receptores, el arreglo bidimensional de elementos receptores que se configura para recibir una señal acústica en un intervalo angular acimutal, la señal acústica que se origina a partir de una reflexión, una refracción, o una propagación de onda superficial o una combinación de las mismas, del haz acústico colimado mediante un material en la ubicación seleccionada, el arreglo bidimensional de elementos receptores que se colocan en una superficie de un miembro cilindrico que se separa para proporcionar un espacio entre elementos receptores cercanos, el arreglo bidimensional de elementos receptores que comprende una película piezoeléctrica, en donde cada elemento receptor en el arreglo bidimensional de elementos receptores se configura para recibir una porción de la señal acústica que corresponde a una porción del intervalo angular acimutal; y un procesador configurado para realizar procesamiento de datos en la señal recibida para analizar la señal acústica recibida para caracterizar las características del material alrededor del pozo.

36. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque la fuente acústica comprende un medio no lineal que incluye uno o más de una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas incrustadas, o una emulsión.

A 37. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque la fuente acústica comprende: un alojamiento; una pluralidad de capas piezoeléctricas separadas colocadas con el alojamiento; y un medio no lineal que se llena entre la pluralidad de capas, en donde cada una de la pluralidad de capas piezoeléctricas se configura para generar una onda acústica, y en donde el medio no lineal y la pluralidad de capas de material piezoeléctrico tienen una impedancia de adaptación para mejorar una transmisión de la onda acústica generada mediante la pluralidad de capas a través de la pluralidad restante de capas para generar el haz acústico colimado.

38. El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque el alojamiento tiene una configuración cilindrica y, la pluralidad de capas piezoeléctricas se separan a lo largo de una longitud de la configuración cilindrica.

39. El sistema de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado porque la configuración cilindrica tiene una base circular o una base poligonal.

40. El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque el medio no lineal comprende un fluido.

41. El sistema de conformidad con la reivindicación 40, caracterizado porque el fluido comprende agua.

42. El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque la capa piezoeléctrica comprende una película de difluoruro de polivinilideno (PVDF).

43. El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque comprende además un generador eléctrico configurado para excitar de forma eléctrica al menos una capa piezoeléctrica en la pluralidad de capas piezoeléctricas para generar un pulso de onda acústica.

44. El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque comprende además un generador eléctrico configurado para excitar de forma eléctrica la pluralidad de películas piezoeléctricas para generar una pluralidad de pulsos de ondas acústicas que se separan en el tiempo para formar un tren de pulsos de ondas acústicas.

45. El sistema de conformidad con la reivindicación 44, caracterizado porque la pluralidad de pulsos de ondas acústicas separados se miden en el tiempo para que se sumen para generar el haz acústico colimado con una potencia sustancialmente igual a una suma de potencias de pulsos de ondas acústicas individuales en una salida de la fuente acústica.

46. El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque comprende además un material absorbente acústico colocado en un primer extremo del alojamiento y una placa colocada en un segundo extremo del alojamiento opuesto al primer extremo, la placa que se selecciona a partir de un material que transmite sustancialmente la onda acústica en un intervalo acústico deseado de longitudes de onda.

47. El sistema de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque una pared lateral del alojamiento se forma en capas con aislamiento acústico para impedir que la onda acústica se refleje de la pared lateral.

48. El sistema de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque la placa se configura para colimar para obtener el haz acústico colimado.

49. El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque las capas piezoeléctricas se separan en partes iguales dentro del alojamiento.

50. El sistema de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque el alojamiento, la pluralidad de capas piezoeléctricas y el medio no lineal se configuran para generar el haz acústico colimado.

51. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque comprende además una guía direccionadora configurada para dirigir el haz acústico colimado.

52. El sistema de conformidad con la reivindicación 51, caracterizado porque la guía direccionadora incluye un reflector acústico, una lente acústica, o ambos.

53. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque el procesador se configura para analizar la señal acústica recibida después de que se ha reflejado o retrodispersado a partir de las carencias de homogeneidades en la formación rocosa o materiales que circundan el pozo, o ambas para generar una imagen que proporcione información sobre la unión de cementación, áreas fracturadas, u otros defectos.

54. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque comprende además un controlador configurado para mover la fuente acústica y la pluralidad de receptores.

55. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque el controlador se configura para mover los receptores de forma independiente de la fuente acústica o para mover la fuente acústica y los receptores como un todo a lo largo de un eje de pozo.

56. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque se selecciona un tamaño de los elementos receptores para lograr una resolución angular acimutal deseada de la señal acústica recibida entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 15 grados.

57. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque comprende además un controlador configurado para seleccionar de forma electrónica uno o más elementos receptores en el arreglo bidimensional de elementos receptores para recibir la señal acústica sin girar los receptores.

58. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque la película piezoeléctrica comprende una película de difluoruro de polivinilideno (PVDF).

59. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque el procesador se configura para caracterizar una fractura de una sarta de cemento del pozo, un espacio entre la sarta de cemento y la formación rocosa, o un espacio entre la sarta de cemento y una sarta de metal del pozo, o cualquier combinación de los mismos con una resolución acimutal entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 15 grados.

60. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque el procesador se configura además para caracterizar las características del material alrededor del pozo al detectar heterogeneidades detrás de las tuberías o canalizaciones.

61. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque el procesador se configura para realizar análisis 3D de propiedades geomecánicas alrededor de pozos a partir de análisis de ondas de refracción y ondas Lamb para mejorar la caracterización de la zona de invasión y cualquier daño del pozo.

62. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque el procesador se configura para realizar formación de imágenes 3D de la velocidad de formación rocosa cerca del pozo utilizando análisis de refracción.

63. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque el procesador se configura para realizar mapeo 3D de fracturas a partir de reflexiones de llegadas lineales.

64. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque la fuente acústica se configura para generar un haz acústico colimado de pulsos en el intervalo de frecuencia entre aproximadamente 15 kHz y 120 kHz para medir ondas guiadas y superficiales, y detectar cemento un espacio entre una sarta y un cemento en un pozo o un espacio entre el cemento y la formación rocosa, o ambos, con base en las ondas guiadas y superficiales medidas, con una resolución angular acimutal en el intervalo entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 15 grados.

65. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque el procesador se configura para realizar un análisis de tiempo-frecuencia de la señal acústica recibida.

66. El sistema de conformidad con la reivindicación 65, caracterizado porque el procesador se configura para proporcionar un contenido de frecuencia de la señal acústica recibida como una función del tiempo para determinar las frecuencias que son prominentes en ciertos tiempos durante la propagación.

67. El sistema de conformidad con la reivindicación 66, caracterizado porque el procesador se configura para realizar un análisis de transformada corta de Fourier (STFT).

68. El sistema de conformidad con la reivindicación 66, caracterizado porque el procesador se configura para determinar una presencia de un espacio entre la sarta de cemento y la formación rocosa, o un espacio entre la sarta de cemento y una sarta de metal de un pozo, o cualquier combinación de los mismos con una resolución acimutal entre aproximadamente 5 grados y aproximadamente 15 grados con base en el análisis de tiempo-frecuencia.

69. El sistema de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado porque la fuente acústica comprende un dispositivo direccionador configurado para dirigir el haz acústico generado generalmente hacia abajo en una dirección de un eje de pozo por delante de una roca de perforación hacia una formación rocosa.

70. El sistema de conformidad con la reivindicación 69, caracterizado porque los receptores se configuran para detectar una onda acústica reflejada a partir de una o más capas dentro de la formación rocosa.

71. El sistema de conformidad con la reivindicación 70, caracterizado porque el procesador se configura para determinar una posición de las una o más capas con base en la onda acústica recibida reflejada.

72. El sistema de conformidad con la reivindicación 71, caracterizado porque el procesador se configura además para determinar una cantidad de inclinación de las una o más capas con base en una orientación del haz acústico generado y la onda acústica recibida detectada.