HERRAMIENTA DE SONDEO SONICA QUE INCLUYE UNA ESTRUCTURA DE SEPARACION Y RECEPCION
CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se relaciona con estructuras para su uso en disposiciones de recepción y dispositivos de separación para su uso en las herramientas de sondeo sónicas para agujero de perforación. En particular, la invención se relaciona con una estructura que tiene un comportamiento debido a flexión particular la que está diseñada para deducir el impacto de la interferencia en las mediciones de sondeo sónicas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION El campo del sondeo sónico de los agujeros de perforación en la industria de petróleo y gas involucra la realización de mediciones acústicas en el agujero de perforación a frecuencias típicamente en el rango de 500 Hz - 20 kHz . Por debajo de este rango se considera generalmente del dominio sísmico, por encima de él del dominio ultrasónico . Un resumen de las técnicas en general involucradas en el sondeo acústico de los agujeros de perforación se puede encontrar en GEOPHYSICAL PROSPECTING USING SONICS AND ULTRASONICS, Enciclopedia Wiley de Ingeniería Eléctrica y Electrónica 1999, pp. 340 Un ejemplo de una herramienta de sondeo sónica utilizada por Schlumberger es la herramienta Sónica de Formación de Imágenes de Dipolo (DSI) , que se muestra en forma esquemática en la Figura 1. La herramienta DSI comprende una sección de transmisión 10 que tiene un par de fuentes (superior e inferior) dipolo 12 dispuesta de forma ortogonal en el plano radial y una fuente monopolo 14. Una junta de aislamiento sónica 16 conecta la sección de transmisión 10 a una sección de recepción que contiene una disposición de ocho estaciones de recepción separadas, cada una conteniendo dos pares de hidrófonos, uno orientado en línea con una de las fuentes dipolo, el otro con la fuente ortogonal . Un cartucho de circuitos electrónicos 20 está conectado a la parte superior de la sección de recepción 15 y permite la comunicación entre la herramienta y una unidad de control 22 ubicada en la superficie a través de un cable eléctrico 24. Con dicha herramienta es posible realizar mediciones tanto monopolares como dipolares . La herramienta DSI tiene varios modos de operación para la adquisición de datos, uno de los cuales puede ser combinado para adquirir las formas de ondas. Los modos son: modos dipolo superior e inferior (UDP, LDP) , formas de onda registradas desde los pares receptores alineados con las respectivas fuentes dipolo utilizadas para generar la señal; modo dipolo cruzado, formas de ondas registradas desde cada par receptor para disparos de la fuente dipolo en línea y cruzados; modo Stoneley, formas de onda registradas a partir de disparos de baja frecuencia de la fuente monopolo; modo P y S (P&S) , formas de onda registradas a partir de disparos de alta frecuencia del transmisor monopolo; y primer modo de movimiento, datos de cruce de umbral monopolo a partir de disparos de alta frecuencia de la fuente monopolo . Un problema que se observa con frecuencia en el sondeo dipolo es la propagación de una señal debido a la flexión desde la fuente hacia los receptores a lo largo de la herramienta en si misma. Esta señal, a menudo conocida como una "llegada a la herramienta" , interfiere con la detección de la señal correspondiente que se ha propagado en la formación y de esta manera es altamente indeseable. Los enfoques que se han tomado para remover o reducir la ocurrencia de las llegadas a la herramienta incluyen la provisión de un dispositivo o estructura entre la fuente y los receptores que evita la propagación de la llegada a la herramienta (un "aislador"), y la adopción de una estructura de recepción que retarda o atenúa la llegada a la herramienta. Una forma de aislador se encuentra en las herramientas en la cuales las fuentes y el receptor se hallan en dos cuerpos separados conectados por un conector relativamente flexible tal como un cable o un tubo flexible. Un ejemplo de esto se encuentra en la E.U.A. No. 5.343.001. Dicho enfoque es efectivo para evitar que la llegada a la herramienta pase directamente a lo largo del cuerpo de la herramienta desde la fuente hacia el receptor pero tiene el problema de que la herramienta no puede ser utilizada en ningún agujero de perforación que no sea vertical, o que casi lo sea. Ya que los agujeros de perforación que son desviados de la vertical son muy comunes, dicha herramienta tiene aplicación limitada. Esta estructura tampoco soluciona el problema de un acoplamiento de la señal debido a la flexión en la estructura de recepción desde el agujero de perforación y que luego se propaga a lo largo del receptor . Para las herramientas en las cuales las fuentes y el receptor están conectados en una estructura relativamente rígida (es decir, una que puede operar en agujeros de perforación desviados) , el enfoque ha sido interponer un aislador entre la fuente y el receptor, el que interrumpe la trayectoria de la llegada a la herramienta con una estructura que retarda y/o atenúa la propagación de la señal debido a la flexión a lo largo del cuerpo de la herramienta. En la herramienta DSI descrita líneas arriba, la junta de aislamiento sónico incluye grupos de unidades aisladoras de goma y arandelas de acero ubicados alrededor de los elementos de conexión. Esta estructura es la única conexión entre el transmisor y el receptor, no habiendo alojamiento continuo ni cuerpo de herramienta entre los dos. La junta de aislamiento sónico se revela con mayor detalle en la E.U.A. No. 4,872.526. Otra forma de aislador es una estructura en la cual el aislador es construido a partir de una serie de segmentos , cada uno .de los cuales está conectado sólo a sus vecinos, habiendo algún material flexible o absorbente en cada junta. Los ejemplos de dichas estructuras se encuentran por ejemplo en la E.U.A. No. 5.229.553 que tiene una serie de cubiertas y carretes, o en la E.U.A. No. 5.728.978 que tiene una cantidad de elementos tubulares unidos mediante lóbulos de acoplamiento (ver también la SPE No. 56790 A Dipole Array Sonic Tool for Vertical and Deviated Wells, Lucio N. Tello, Thomas J. Blankinship, Edwin K. Roberts, Computalog Research, Rick D. Kuzmiski, Computalog Ltd., 1999 SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, Texas 3-6 de Octubre de 1999) . Así como se provee un aislador entre la fuente y el receptor, también se han propuesto modificaciones a la estructura de la sección de recepción en sí misma. En la herramienta DSI, para la cual el alojamiento de receptor provee la resistencia estructural principal para la herramienta, se utiliza una combinación de ranuras y aberturas y anillos de carga de masa para modificar el comportamiento acústico del alojamiento con el fin de reducir o retardar las llegadas a la herramienta debidas a la flexión (y otras) . Los ejemplos adicionales de este enfoque se pueden encontrar en la E.U.A. No. 4.850.450 y la E.U.A. No. 5.036.450. En la E.U.A. No. 5.731.550 la estructura segmentada aplicada al aislador en la E.U.A. No. 5.229.553 también se aplica a la sección de recepción. No obstante, ya que ésta no es una estructura rígida, puede ser necesario proveer también un alojamiento o manga para hacer capaz a la herramienta de operar en agujeros de perforación desviados. Otros enfoques para solucionar este problema se discuten el la solicitud PCT No. PCT/ IB98/ 00646, publicada como O 99/56155, y que se incorpora a la presente como referencia. A la fecha, ningún enfoque ha sido completamente exitoso para remover o evitar las llegadas a la herramienta debido a la flexión. Es un objeto de la presente invención proveer una estructura de herramienta en la cual el problema de las llegadas a la herramienta debidas a la flexión pueden ser manejadas de una forma que no comprometa la habilidad de la herramienta para realizar las mediciones dipolo de la formación.
COMPENDIO DE LA INVENCION La presente invención provee una estructura para una herramienta de sondeo que comprende un mandril central substancialmente continuo que tiene bloques de masa separados de manera uniforme dispuestos en la misma, por lo menos algunos de los bloques de masa llevan sensores tales como receptores. Mediante la adopción de esta estructura, la herramienta puede ser fabricada para comportarse como una estructura de masa- elástica y su comport miento debido a la flexión y a la extensión está controlado de modo tal que su curva de dispersión no se extiende en la curva de dispersión de la formación a ser sondeada. La estructura puede ser aplicada a toda la herramienta de sondeo o justo a la sección de recepción y/o cualquier sección de separación entre la sección de recepción y la de transmisión . Una herramienta que incorpora la invención incluirá por lo menos una fuente de señal acústica y una sección de recepción y/o una sección de separación que tiene la estructura mandril- bloque de masa. De manera preferible la herramienta comprende una sección de transmisión con fuentes monopolo y dipolo ortogonales, un separador con el mandril como el elemento de soporte de la carga, y una sección de recepción con fuentes monopolo adicionales y una disposición de recepción formada a partir de la estructura mandril- bloque de masa. Cuando se aplica la estructura de bloque de masa a la sección de recepción de una herramienta de sondeo, algunos de los bloques se utilizan para llevar elementos de recepción acústica tal como hidrófonos. Los bloquees actúan como montajes de recepción y están conectados uno con otro solamente a través del mandril . Mediante la colocación de los elementos de recepción en una cantidad de bloques adyacentes, se pude formar una disposición de recepción. La disposición comprenderá típicamente una cantidad de estaciones de recepción (bloques de masa) , por ejemplo ocho, doce o dieciséis estaciones, cada una de las cuales tiene varios elementos de recepción dispuestos de una manera uniforme alrededor de la periferia de cada estación, por ejemplo cuatro u ocho elementos de recepción. La electrónica de la unidad de entrada puede estar asociada con cada elemento de recepción con el fin de proveer una salida digital desde cada uno de ellos. Los circuitos requeridos pueden estar ubicados alrededor del mandril adyacentes a los respectivos montajes de recepción. De esta manera, se puede lograr la comunicación de las señales a lo largo de la herramienta en el dominio digital . Los elementos de recepción son provistos de manera preferible con la electrónica apropiada de modo tal que la salida esté en forma digital. Se pueden colocar fuentes monopolo adicionales en cualquier extremo de la disposición de recepción. Cuando se aplica la estructura mandril- bloque de masa a una sección de separación, ésta está dispuesta de manera preferible entre las secciones - de transmisión y recepción de la herramienta. El mandril actúa como una estructura que soporta la carga continua y puede ser hueco para definir un conducto para cableado entre las dos partes de la herramienta. Se puede proveer una manga externa que no soporta carga fabricada de un material tal como teflón (una manga similar también se puede proveer para una estructura de recepción) . Se describe a continuación la invención en relación con los dibujos a manera de ejemplo. Se apreciará que se pueden realizar variaciones en la implementación mientras permanezcan dentro del alcance de la invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 muestra una sonda de diagrafía por velocidad sónica de la técnica anterior. La Figura 2 muestra una sonda de diagrafía por velocidad sónica que incorpora las modalidades de la presente invención. La Figura 3 muestra una vista más detallada de un módulo transmisor de la sonda de la Figura 2. Las Figuras 4a, 4b y 4c muestran vistas más detalladas de una sección separadora de la sonda de la Figura 2 y el bloque másico que se utiliza en ésta. La Figura 5 muestra una vista general del interior de la sonda receptora de la sonda de la Figura 2. La Figura 6 muestra una vista parcial de los elementos físicos del receptor y la sección transmisora cercana de la sonda receptora. Las Figuras 7a, 7b y 7c muestran la vista lateral, transversal e isométrica de un bloque másico que se utiliza en la sonda receptora. La Figura 8 muestra otro diseño de bloque . La Figura 9 muestra un montaje PCB. La Figura 10 muestra la electrónica de adquisición a nivel del elemento sensor. La Figura 11 muestra la electrónica de adquisición a nivel de la estación receptora. La Figura 12 muestra la arquitectura del bus de comunicación del receptor. La Figura 13 muestra un diseño del circuito amplificador de la primera etapa, y La Figura 14 muestra un diseño del circuito amplificador de la segunda etapa.
DESCRIPCIÓN DE LA MODALIDAD PREFERIDA Ahora con referencia a la Figura 2 , ahí se muestra una sonda de diagrafía para perforaciones que incluye una sección receptora y una sección separadora de conformidad con las modalidades de la invención. La sonda que se muestra en la Figura 2 consiste en un módulo transmisor acústico 110 con un centralizador 112 y un separador 114. El módulo transmisor 110 se muestra con mayor detalle en la Figura 3 y consiste en una sección electrónica 120 con los circuitos electrónicos adecuados y circuitería de gobierno o control para las fuentes acústicas, una sección compensadora del volumen de aceite 122, una primera fuente bipolar 124 (dirección nominal "Y") , una-segunda fuente bipolar 126 (ortogonal a la primera fuente 124, dirección nominal "X") y una fuente monopolar 128. Las fuentes bipolares 124, 126 son prácticamente como está descrito en la Solicitud de Patente US copendiente Serie No. 09/537,836 titulada "Sonda Bipolar de Diagrafía" presentada el 2 de marzo de 2000 (incorporada en la presente como referencia) y la fuente monopolar 128 es prácticamente como está descrito en US 5, 036, 945 (incorporada en la presente como referencia) y la fuente monopolo 128 es substancialmente como se describe en la E.U.A. 5.036,945 (que se incorpora a la presente como referencia. Se provee una sección de paso 130 para permitir el cableado de alimentación y señales que se conecta a la porción de la herramienta encima del módulo de transmisión 110. Como se muestra en la Figura 2 , conectada inmediatamente encima del módulo de transmisión 110 está una sección de separación 132. Se muestran dos opciones en la figura, una sección larga 132a y una sección corta 132b. La longitud de la sección de separación puede ser seleccionada de acuerdo con el comportamiento acústico esperado de la formación a ser sondeada. La sección de separación 132 se describe con mayor detalle en relación con las Figuras 4a, 4b y 4c, y comprende un mandril interno 200 formado de una aleación de titanio que tiene una serie de estructuras de masa de acero inoxidable 210 que comprende bloques con una superficie externa cilindrica 212 y una superficie interna conformada 214 que define una cavidad 216 montada de manera segura a intervalos uniformes a lo largo de la extensión del mandril 200. Las masas 210 están aseguradas al mandril 200 calentando cada una de las masas 210 para causar que se expanda y deslizándola en su lugar sobre el mandril 200 utilizando un diámetro interno 220 definida por la superficie interna 214 de cada masa 210. Luego se permite que la masa 210 se enfríe y encoja alrededor del mandril 200. Mediante la selección cuidadosa del material y la estructura del mandril 200 y las masas 210, así como la colocación apropiada de las masas 210 a lo largo del mandril 200, el separador puede ser configurado para comportarse acústicamente como una estructura de masa elástica que no interfiere con las señales acústicas utilizadas para la evaluación de la formación que circunda el agujero de perforación, a la vez que aún provee la estructura física y el soporte para las otras partes de la herramienta. Ya que no hay manga ni alojamiento alrededor del separador, y que los bloques de masa 210 son huecos y no están sellados uno con otro, es posible que los fluidos del agujero de perforación ingresen en la cavidad 216 en los bloques de masa 210 así como que el lodo se acumule dentro de los bloques y que afecte su comportamiento acústico. Con el fin de permitir la limpieza de la cavidad 216, se proveen los diámetros internos 218 a través de la pared lateral 212 de los bloques 210. El mandril 200 es hueco y está conectado a los pasos 230, 240 en ambos extremos de la sección de separación 132 de modo tal que el cableado (no mostrado) puede pasar a través del separador 132 entre el módulo de transmisión 110 y la sonda de recepción 134. La parte superior de la sección de separación 132 está conectada a una sonda de recepción 134 que comprende una sección de recepción y transmisión monopolo cercana 136, un compensador de volumen de petróleo 138 y una sección de electrónica de sonda 140, y que está provista con grupos de unidades aisladoras de goma 142, 144. Una vista general de la estructura interna de la sonda de recepción 134 se muestra en la Figura 5. La sección de recepción y transmisión monopolo cercana 136 de la sonda 134 comprende una disposición 145 de estaciones de recepción 146 (16 en este ejemplo aunque son posibles otras cantidades) separadas a lo largo de un mandril central 148, cada una de las estaciones 146 comprende un bloque de montaje de recepción 150 conectado al mandril 148 y que tiene una cantidad de elementos de detección 152 (hidrófonos) dispuestos de manera equiangular alrededor de la circunferencia del bloque 150. En el presente caso, se proveen ocho elementos 152 pero también se pueden utilizar otras cantidades, por ejemplo cuatro. Las placas de circuitos electrónicos de la sección de entrada están asociadas con cada una de las estaciones dé recepción 146 y se describen en mayor detalle a continuación. Los transmisores monopolo 154, 156 están montados en ambos extremos de la disposición de recepción 145. El receptor y la sección de monopolo cercana 136 están cubiertos en una manga de teflón blindado 158 y está lleno con petróleo para compensar la presión. El compensador de volumen de petróleo 138 está conectado encima de la sección de recepción y transmisión monopolo cercana 136 y está conectado al interior de la misma. La sección de electrónica de sonda 140 está conectada encima del compensador de volumen de petróleo 138 e incluye las fuentes de energía de la sección de entrada y los transformadores elevadores (no mostrados) para las fuentes monopolo. Los pasos 160 se proveen para permitir la comunicación por cableado entre las diversas secciones de la sonda 134. La parte superior de la sonda 134 también está provista con los pasos 162 para la conexión a un cartucho de electrónica maestro 164 que también tiene un centralizador 166. El cartucho 164 está provisto con conectores estándares 168 que permiten la conexión con otras herramientas en una sarta de herramientas de sondeo o con un cartucho de telemetría que se comunica con un sistema de superficie a través de un cable metálico de sondeo (no mostrado) La sonda de recepción se muestra en mayor detalle en las Figuras 6, 7 y 8. La estructura básica de la sección de recepción 136 es un mandril 148 y una disposición de bloques de masa 150 similar a aquélla utilizada en la sección de separación. Las fuentes monopolo 154, 156, esencialmente las mismas que aquéllas descritas en relación con la sección de trasmisión mencionada líneas arriba, se provee en ambos extremos de la sección de recepción 136. El mandril 148 se extiende entre estas fuentes 154, 156 y la serie de bloques de masa 150 está montada en el mandril 148 en la misma forma que en la sección de separación. Dieciséis bloques 150 adyacentes definen los montajes de recepción 170 cada uno de los cuales lleva una disposición circunferencial de elementos de recepción (hidrófonos) 172 separados alrededor de la periferia de los mismos. Un par de elementos diametralmente opuestos en cada una de las estaciones está alineado con una respectiva fuente dipolo. En esta configuración, se proveen ocho elementos de recepción 172. Se apreciará que el número de las estaciones y el número de los elementos de recepción en cada una de las estaciones pueden ser seleccionados de acuerdo con los requerimientos, por ejemplo, se pueden seleccionar doce estaciones, cada una con cuatro elementos de recepción. - Los bloques 150 comprenden un cuerpo tubular rel tivamente alargado 180 que tiene un diámetro interno 182 que se extiende a través de la parte media. Una sección terminal 184 del diámetro interno 182 tiene una región 186 de diámetro reducido que abarca la superficie externa del mandril 148. La parte externa 188 del bloque 150 está formada en una cavidad de montaje 190 para el elemento de detección 172. Una forma alternativa para el bloque 150 se muestra en la Figura 8. Estas formas, u otras estructuras similares pueden ser utilizadas para definir el comportamiento acústico de la sección de recepción, de manera particular en el modo de flexión. Cada uno de los bloques 150 está conectado de modo tal que no contacta los bloques adyacentes de manera directa. La única estructura continua en el receptor es el mandril 148. Se pueden proporcionar bloques inactivos (tal como se muestra en la Figura 8) en los extremos de la disposición de la estación de recepción 145 para asegurar el comportamiento acústico cerca de los extremos de la disposición. El elemento de detección 172 es de manera preferible un sensor piezoeléctrico de presión. La forma preferida del sensor comprende un cilindro piezoeléctrico con tapas terminales conectadas por un tornillo que se extiende a través del cilindro. Otra forma de sensor es un apilamiento polarizado de placas piezoeléctricas . Estas pueden estar en la forma de un apilamiento con un tornillo que se extiende a través del centro del apilamiento para comprimir las placas. De manera alternativa, las placas pueden ser colocadas en un alojamiento y separadas una de otras por electrodos para maximizar el efecto de presión sobre las placas. Cualquiera que sea la forma de sensor que se utilice, se prefiere que el eje de polarización sea paralelo al eje longitudinal de la herramienta. La manera exacta en la cual el elemento de detección 172 está montado en el bloque 150 dependerá de la forma del elemento de detección utilizado. Los circuitos electrónicos de la sección de entrada están montados en placas de circuitos (no mostradas) ubicadas en los montajes 250 (ver la Figura 9) colocadas alrededor de la parte externa de cada uno de los bloques 150, un conjunto de placas en un montaje 250 está asociado con cada una de las estaciones de recepción. Los montajes 250 comprenden cuatro superficies 252 ubicadas entre piezas de extremidad circulares 254 que encajan sobre el bloque 150. El diámetro externo de las piezas de extremidad es substancialmente el mismo que aquél de la cavidad de montaje 190. La estructura electrónica básica para la entra del receptor se muestra en la Figura 10 y comprende el elemento de detección 172, cuya salida es alimentada hacia un primer elemento 300 que incluye un carga para el amplificador de conversión de voltaje con un filtro de paso alto de primer orden. La salida desde el primer elemento 300 pasa hacia un segundo elemento 302 que tiene un amplificador de ganancia programable y un compensador de entrada de ADC. La salida desde el segundo elemento 302 pasa a un ADC 304 con un convertidos de 20 bit delta-sigma y filtro que provee los datos de serie a un DSP 306. Cuando se amplía a una estación de ocho sensores como se describe en la presente, los circuitos electrónicos de la sección de entrada pueden ser implementados como se muestra en la Figura 11, con elementos primero y segundo separados para cada sensor y se provee un ADC de dos canales 304 para manejar las salidas desde los dos sensores a un mismo tiempo. Se apreciará que la cantidad de canales para el ADC dependerá de la implementación particular de un ADC utilizado. La salida resultante del DSP provee una salida digital para cada una de las estaciones de recepción #1 a #16 que pasa por un bus serial común 308 en la sección de recepción hacia un DSP maestro 310 en el cartucho de electrónica maestro 164 (Figura 12) . La implementación preferida del amplificador del primer elemento se muestra en la Figura 13 y comprende un circuito amplificador de carga diferencial . La señal de salida de sensor Si es provista a un amplificador operacional del tipo OPA404 modificado por unos circuitos RC y St de señal de prueba RfCf, RlCl para dar una salida de primer elemento 01. Otras implementaciones también pueden ser apropiadas, tal como amplificadores de voltaje o de carga balanceada o asimétrica. La implementación preferida del amplificador del segundo elemento se muestra en la Figura 14. Este toma como su entrada la salida del primer elemento 01 y condiciona la señal utilizando dos amplificadores operacionales del tipo ???404 (OPA404a, y OPA404b) y un PGA con elementos R y C apropiados. De nuevo, también otros diseños de circuitos pueden ser apropiados. La salida del segundo elemento pasa al ADC y luego al DSP de recepción que adquiere los datos en serie desde los cuatro ADC por estación a través de un bus paralelo y los convierte en datos en serie: El DSP también opera para proveer el procesamiento de la señal para eliminar la sinusoidad de la señal cuando se utilizan las secuencias codificadas desde las fuentes de la señal acústica (por ejemplo, secuencias M) , para proveer controles para los dispositivos tales como ADC y PGA en las placas de los circuitos y para comunicarse con el DSP maestro en el cartucho de electrónica incluyendo la transmisión de los datos adquiridos . La descripción mencionada líneas arriba es a manera de ejemplo de varias configuraciones de la invención. Se pueden realizar cambios mientras aún se utilice el concepto inventivo presentado en la presente. En particular, el tamaño y la forma física de las estructuras del mandril y de los bloques pueden ser variados para adecuarse a los requerimientos. También, los diseños electrónicos presentados aquí pueden ser reemplazados por otros en circunstancias particulares. Ninguno de estos cambios afectan el concepto inventivo presentado en la presente. La invención puede ser aplicada a otras herramientas en las cuales se desea generar señales acústicas y realizar mediciones acústicas .