MXPA04006579A - Herramienta acustica para el registro de datos que tiene una fuente programable en forma de ondas. - Google Patents

Abstract

Se revela una herramienta acustica que provee una forma de onda de fuente programable. Se pueden lograr numerosas ventajas por la capacidad de configuracion de la forma de onda de la fuente. De manera notable, los registros acusticos en multiples frecuencias se pueden adquirir e un solo paso. La forma de onda puede ser una frecuencia adaptada para maximizar la respuesta de la formacion y la amplitud adaptada para el control de ganancia. En una modalidad, la herramienta acustica comprende: un controlador, un controlador de digital a analogo (DAC), un transductor acustico y un conductor lineal. El DAC convierte una forma de onda digital del controlador en una forma de onda analoga. El transductor acustico convierte una senal electrica en una senal acustica. El conductor lineal recibe la forma de onda analoga desde el DAC y sensiblemente provee la senal electrica hacia transductor acustico. La senal electrica es proporcional la forma de onda analoga. La herramienta puede ademas incluir una memoria para almacenar la forma de onda digital y/o el software para generar la forma de onda digital.

Description

For two-ktter codes and other abbreviations, refer to the "Guid-ance Notes on Codes and Abbreviations " appearing al the begin-ning of each regular issue of the PCT Gazette.

HERRAMIENTA ACÚSTICA PARA EL REGISTRO DE DATOS QUE TIENE UNA FUENTE PROGRAMABLE EN FORMA DE ONDAS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Campo de la Invención La presente invención se refiere generalmente a sistemas y métodos para determinar las características de una formación que rodea una perforación de pozo. Particularmente más, la presente invención se refiere a una herramienta para acústica que registra datos que provee un desempeño mejorado a través del uso de formas de onda de fuente programable .

Descripción del Arte Relacionado El registro acústico de datos de un pozo es un arte bien desarrollado y los detalles de las herramientas de registro acústico de datos y las técnicas se publican en A. Kurkjian, et al., "Estimación de la Lentitud de Formas de Onda para Registro de Datos Sónicos", Geoexploration, Vol. 277, pp. 215-256 (1991); C. F. Morris et al., "Una Nueva Herramienta de un Conjunto de Elementos Sónicos para el Registro Completo de Datos de una Forma de Onda" SPE-13285, Society of Petroleum Engineers (1984); A. R. Harrison et al., "Adquisición y Análisis de Formas de Onda Sónicas de una Perforación de Pozo con Fuente de Monopolo y Dipolo. . . " SPE 20557, pp. 267-282 (septiembre de 1990); y C. V. Kimball y T. L. Marzetta, "Semblanza del Procesamiento de Datos de un Conjunto de Elementos Acústicos de una Perforación de Pozo", Geophysics, Vol. 49, pp. 274-281 (March 1984), las cuales se incorporan en su totalidad como referencia en la presente solicitud. Una herramienta que registra datos acústicos típicamente incluye una fuente acústica (transmisor) , y un conjunto de receptores que están espaciados por varios centímetros o metros. Una señal acústica se transmite mediante la fuente acústica y se recibe en los receptores de la herramienta perforadora de pozo los cuales están separados de la fuente acústica. Las mediciones se repiten cada equis número de centímetros conforme la herramienta pasa a lo largo de la perforación de pozo. La señal acústica de la fuente viaja a través de la formación adyacente de la perforación de pozo hacia el conjunto de elementos del receptor, y se registran los tiempos de llegada y quizás otras características de las respuestas del receptor. Típicamente, llegan la onda compresora (en ingles P-wave u onda-P) , la onda de corte (en ingles S-wave) , y la onda de Stoneley; las formas de onda se detectan mediante los receptores y se procesan. El procesamiento de los datos a menudo se lleva a cabo en la superficie, aunque se puede también llevar a cabo en tiempo real en la propia herramienta. No obstante, la información que se registra se usa típicamente para encontrar características de la formación tales como, la 3 lentitud de la formación (lo inverso a la velocidad acústica) y la anisotropia, a partir de las cuales se pueden hacer determinaciones como la presión de poro, la porosidad y otras propiedades de la formación. Con algunas herramientas, las señales acústicas se pueden usar inclusive para generar imágenes de la formación. Las herramientas de registro acústico de datos se usan en aplicaciones tanto para el registro de datos del cable de acero como del registro de datos mientras se perfora (LWD, por - sus siglas en inglés) . En el registro de datos del cable de acero se hace descender entro de la perforación de pozo un sensor, o "sonda", que aloja múltiples herramientas de registro de datos después de que se ha perforado parte de o todo el pozo. La sonda se fija a un cable de acero conductivo que transporta electricidad desde la superficie hacia las herramientas en la sonda y que transporta información de telemetría hacia la superficie. La sonda puede transportarse a través de la perforación de pozo mediante el cable de acero o se puede proveer un medio de transporte separado. Por ejemplo, en el registro de datos "transferido por tubería", la sonda se monta en una cuerda de tubería. La rigidez de la cuerda de tubería permite transportar la sonda a través de perforaciones de pozo altamente desviadas y horizontales . El problema con la obtención de mediciones abajo del pozo a través del cable de acero es que el ensamblaje de perforación 4 debe retirarse o "dispararse" desde la perforación de pozo taladrada antes de que se pueda obtener la información deseada de la perforación de pozo. Esto puede ser tanto tardado como extremadamente costoso, especialmente en situaciones en las que se ha perforado una porción substancial del pozo. En esta situación, puede ser necesario retirar miles de metros de tubería y se tienen que apilar en la plataforma (si la perforación es en alta mar) . Típicamente, los equipos de perforación se rentan por día a un costo muy elevado. En consecuencia, el costo de perforación de un pozo es directamente proporcional al tiempo que se requiere para completar el proceso de perforación. Retirar miles de metros de tubería para insertar una herramienta de cable de acero registradora de datos puede ser una alternativa costosa. Como resultado, hay un fuerte incentivo para minimizar el número de travesías de registros de datos en un cable de acero. Una manera de hacer esto implica la recolección de datos durante el proceso de perforación. Los diseños para medir las condiciones abajo del pozo que incluyen el movimiento y la colocación del ensamblaje de perforación al mismo tiempo que se hace la perforación de pozo han llegado a conocerse como técnicas de "medición mientras se perfora", o " WD" (por sus siglas en inglés) . Las técnicas similares que se concentran más en la medición de los parámetros de la formación, de las que comúnmente se hace referencia como técnicas de "registro de 5 datos mientras se perfora" o "LWD" (por sus siglas en inglés) . Aunque pueden existir distinciones entre la WD el LWD, los términos MWD y LWD a menudo se usan intercambiablemente. Para los propósitos de esta divulgación, el término LWD se usará en el entendimiento de que este término abarca tanto la recolección de parámetros de la formación como la recolección de información con relación al movimiento y la posición del ensamblaje de perforación . Las herramientas de LWD generalmente se colocan tan cerca del trépano de perforación como sea posible para minimizar el retraso entre la llegada a la formación y la medición de sus propiedades. Cuando se implementan como herramientas LWD, las herramientas de registro acústico de datos deben superar un número de obstáculos para funcionar exitosamente. Esos obstáculos incluyen ruido de perforación y propiedades acústicas del grueso del cuerpo de la herramienta. Consecuentemente, las herramientas de registro acústico de datos tanto en el cable de acero como en las aplicaciones LWD tienen que superar ciertos retos. En consecuencia, en la presente solicitud se divulga una herramienta acústica que provee una forma de onda de fuente programable. Se pueden alcanzar numerosas ventajas a partir de la capacidad de configuración de la forma de onda de la fuente. De manera notable, los registros acústicos de múltiples frecuencias se pueden adquirir de un sólo paso. La forma de 6 onda puede ser una frecuencia adaptada para maximizar la respuesta de la formación y la amplitud adaptada para el control de ganancia. En la presente solicitud se divulgan numerosas ventajas potenciales también. En una modalidad, la herramienta acústica comprende: un controlador, un controlador de digital a análogo (DAC, por sus siglas en inglés) , un transductor acústico y un conductor lineal. El DAC convierte una forma de onda digital del controlador en una forma de onda análoga. El transductor acústico convierte una señal eléctrica en una señal acústica. El conductor lineal recibe la forma de onda análoga desde el DAC y como respuesta provee la señal eléctrica hacia el transductor acústico. La señal eléctrica es proporcional a la forma de onda análoga. La herramienta puede además incluir una memoria para almacenar la forma de onda digital y/o el software para generar la forma de onda digital. La presente invención además contempla un método de registro de datos. El método de registro de datos comprende: (a) convertir una forma de onda digital en una señal análoga; (b) proveer la señal análoga a un transductor acústico a través de un conductor lineal; y (c) producir una señal acústica que tiene una forma de onda que se iguala con la forma de onda digital. El método puede además incluir adaptar la forma de onda digital para maximizar una respuesta de la formación y/u optimizar la amplitud de una señal de recepción.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para tener una descripción más detallada de la modalidad preferida de la presente invención, se hará ahora referencia a los dibujos que la acompañan en donde: La Fig. 1 muestra un ambiente de registro de datos transportado por tubería. La Fig. 2 muestra la modalidad preferida de la herramienta de registro de datos acústicos. La Fig. 3 muestra una vista en sección transversal del conjunto de elementos del receptor. La Fig. 4 muestra un esquema de los elementos electrónicos de control para la fuente de monopolo; y La Fig. 5 muestra un esquema de los elementos electrónicos de control para un transductor de fuente de dipolo. A pesar de que la invención es susceptible de tener varias modificaciones y formas alternativas, se muestran las modalidades específicas de la misma a manera de ejemplo en los dibujos y se describirán con detalle en la presente solicitud.

Sin embargo, debe entenderse que los dibujos y la descripción detallada de la misma no tienen la intención de limitar la invención a la forma particular revelada, sino todo lo contrario, la intención es cubrir todas las modificaciones, equivalencias y alternativas que entren dentro del espíritu y el alcance de la presente invención según lo definen las reivindicaciones anexas. 8 DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA De vuelta ahora a las figuras, la Fig. 1 ilustra un típico ambiente de registro de datos transferido por tubería. La tubería (14) continua se jala de un carrete (12) y se inyecta dentro de un orificio de pozo mediante un inyector (106) . La tubería (14) se inyecta a través de un tapón (18) y un obturador (20) de erupción, y pasa a través del entubamiento (22) hacia dentro del orifico de pozo. Dentro del pozo, un instrumento de sonda abajo en el pozo que incluye una herramienta (24) de registro de datos acústicos se acopla a la tubería (14). La sonda está preferentemente configurada para comunicarse con un sistema (26) de cómputo en la superficie a través de los conductos de información contenidos en la tubería (14) . Puede proveerse un suministro (28) de electricidad para darle electricidad al instrumento (24) abajo del pozo, a través de los conductos de electricidad en la tubería (14) . Alternativamente, la electricidad y la telemetría pueden ser transferidas mediante un cable de acero unido a la tubería (14) en la superficie. El sistema (26) de cómputo en la superficie está preferentemente configurado para comunicarse con la herramienta (24) de registro de datos acústicos. La herramienta (24) de registro de datos acústicos puede ser uno de varios sensores abajo del pozo y el dispositivo de control que conforma el instrumento de sonda. El sistema (26) de cómputo en la superficie está preferentemente configurado por un software (30) 9 para monitorear y controlar los instrumentos en el instrumento de sonda. El sistema (26) puede incluir un dispositivo (32) de despliegue y un dispositivo (34) accionado por un usuario para permitir que un operador humano interactúe con el software (30) controlador del sistema. La Fig. 2 muestra una modalidad preferida de una herramienta (24) de registro de datos acústicos. La herramienta se puede dividir en cuatro secciones: la sección de elementos electrónicos principales, el conjunto de elementos del receptor, el transmisor, la sección aislante y los elementos de control electrónicos. Cada una de esas secciones se discute en su momento más adelante.

Principales elementos electrónicos La sección de elementos electrónicos principales controla la adquisición de los datos de la forma de onda y la comunicación con la superficie. Las señales de cada uno de los transductores (32) del receptor preferentemente se digitaliza usando convertidores de análogo a digital (ADC, por sus siglas en inglés) de alta resolución (de por ejemplo 18 bits) y se transmiten hacia la superficie. Los datos de la forma de onda preferentemente se adquieren sin control de ganancia adaptable (AGC, por sus siglas en inglés) (aunque existe una opción de AGC equivalente para la activación del monopolo) . El sistema de adquisición global ha demostrado un ancho de banda de ganancia 10 equivalente de más de 90 dB alcanzada mediante el control de la sensibilidad del receptor y la entrada de datos de la fuente, haciendo que el uso de un AGC sea innecesario. No obstante, se puede incluir un AGC en algunas modalidades . Una secuencia de activación típica del transmisor en cada profundidad implica activar la fuente del monopolo, activar el dipolo X-X y activar luego el dipolo Y-Y. Con 100 m de intervalo entre cada activación (este intervalo es programable) , los elementos electrónicos principales adquieren 96 formas de onda digitalizadas cada 300 m y las envían a la superficie. La velocidad del registro de datos puede limitarse mediante la tasa de telemetría de la red, la tasa de muestreo de la profundidad deseada y/o la potencia del procesamiento del sistema de adquisición en la superficie. Bajo condiciones de operación normales (adquisición total de un monopolo y dos activaciones de dipolo; el procesamiento para el monopolo y uno o ambos conjuntos de elementos de dipolo) se ha alcanzado una velocidad de registro de datos de 548.64 m/hr (1800 pies/hr) con una cuerda de registro de datos quad-combo completa (resistividad, acústica, densidad, neutrón, navegación direccional, gamma, y calibrador de multieje) . Las ventajas para adquirir y transmitir todo el conjunto de 96 formas de onda del receptor sin ningún procesamiento abajo del pozo incluyen la capacidad para usar algoritmos de procesamiento avanzados en el conjunto completo de formas de onda para obtener como resultado la información 11 azimutal en la velocidad compresora, asi como llevar a cabo un procesamiento avanzado de la anisotropia de onda de corte refractado.

Conjunto de elementos del receptor En la modalidad preferida, el conjunto de elementos del receptor consiste en 32 cristales de receptor dispuestos en ocho anillos coplanares . Cada anillo tiene cuatro receptores montados perpendicularmente respecto al eje de la herramienta y distribuidos equitativamente a 90 grados uno del otro, como se muestra en la Fig. 3. El posicionamiento circunferencial de los receptores se alinea preferentemente con las fuentes del dipolo para que haya dos conjuntos de elementos en linea y dos conjuntos de elementos transversales para ambas fuentes de dipolo la X-X y la Y-Y. El descentrado del anillo desde el receptor más alto es de 3.1 m (10.2 pies) desde la fuente del monopolo y de 2.8 m (9.2 pies) desde las fuentes de dipolo X-X y Y-Y en la profundidad. El espaciamiento entre los anillos del receptor es de 0.15 m (0.5 pies). Esto da una longitud del conjunto de elementos del receptor de 1.07 m (3.5 pies) . En el modo de adquisición del dipolo, el conjunto de elementos del receptor en linea y el conjunto de elementos transversales del receptor son cada uno arreglos de receptor 2 por 8. En la modalidad preferida, los receptores tienen una respuesta de frecuencia desde 0.5 kHz hasta alrededor de 20 kHz. 12 Como se muestra en la Fig. 3, los 32 receptores (46) individuales están montados en las cavidades del receptor y ligeramente dentados desde la superficie externa de la carcasa de la herramienta. Cada receptor está individualmente compensado en presión y temperatura hasta el alcance total de las especificaciones de operación para la herramienta (por ejemplo, 20, 000 psi, 175° C) . Esto permite un fácil mantenimiento del sitio de la perforación si uno de los receptores se daña por cualquier razón, sin la necesidad de elaborar un rellenado de petróleo o de estaciones de evacuación. Los receptores preferentemente se aparejan en grupos de cuatro y en grupos de 32. El aparejamiento se puede hacer como más adelante se explica con el receptor completamente ensamblado y relleno con la cantidad apropiada de petróleo requerida por el sistema de compensación de presión y temperatura. Cada receptor se prueba individualmente a 20,000 psi y 150° C (ANSI-1988) . Cada respuesta del receptor a una fuente calibrada conocida se registra en muchas frecuencias diferentes. Una vez que se han recolectado todos los datos, los receptores que tienen respuestas de acoplamiento cercanas se agrupan en grupos de cuatro y en grupos de 32. La llanura aceptada de la respuesta del receptor a través de un amplio rango de frecuencia es de ±2 dB (con el promedio medido más cerca de los ±0.75 dB) . La diferencia de sensibilidad aceptada entre los cuatro receptores de un quad es de ±0.75 dB (con el promedio medido cercano a ±0.2 13 dB) . A través de las diversas pruebas de campo y los empleos comerciales de esta herramienta, se analizó y se encontró que el presente acoplamiento del receptor bajo condiciones de abajo del pozo es bueno dentro de los rangos antes citados. En la modalidad preferida, las fuentes acústicas y el conjunto (46) de elementos del receptor están preferentemente basados en elementos piezoeléctricos diseñados para operar en condiciones abajo del pozo, sin embargo, son adecuadas y pueden usarse para muchas otras fuentes y detectores que operan abajo del pozo. Transmisor y aislante El transmisor y la sección del aislante incluyen un monopolo (42) transmisor, un par de transmisores (44) de dipolo cruzado y un componente acústico aislante. El transmisor (42) de monopolo incluye un cristal piezoeléctrico de geometría cilindrica. El cristal se monta en una disposición que permite a la energía acústica transmitida estar esencialmente uniforme alrededor de la circunferencia de la herramienta. El transmisor del monopolo se energiza en el típico modo ^pulsado' (que se describe más adelante con referencia a la Fig. 4), en donde se emite una onda de monopolo esencialmente pura con una frecuencia central alrededor de 5-6 kHz y con energía a través de toda la banda de frecuencia entre 1 kHz y 12 kHz. Esta frecuencia central está entre aproximadamente un tercio y una mitad de la frecuencia del transmisor de monopolo de las herramientas de 14 monopolo tradicionales. La frecuencia más baja resulta en una mucho más grande profundidad de investigación para la onda P y la onda de corte refractado. La fuente de monopolo se utiliza para la derivación de las llegadas refractadas de la adquisición de la onda total, es decir, la velocidad de la onda compresora (asi como otras propiedades asociadas tales como la energía, el contenido de frecuencia, etc.), la velocidad onda de corte refractado, sus propiedades de onda asociadas, y la velocidad de la onda de Stoneley con sus propios parámetros asociados . Cada uno de los transmisores (44) de dipolo incluye dos transductores montados en lados opuestos de la herramienta (24) . Los dipolos cruzados se montan perpendicularmente, para que juntos, los dipolos cruzados, formen una disposición quad a profundidad de transductores (similares a los transductores de receptor que se muestran en la Fig. 3) . Cada uno de los cuatro transductores de dipolo es preferentemente del tipo "barra dobladora", es decir, una superficie flexible que tiene cristales piezoeléctricos en lados opuestos. Del mismo modo que el cristal de un lado es impelido para alargarse, el cristal en el lado opuesto es impelido para encogerse. Esto causa que el ensamblaje se flexione. Las señales acústicas se transmiten mediante la flexión de la superficie en las frecuencias deseadas. La señal de frecuencia es programable, como se describe más adelante, pero los transductores son 15 preferentemente capaces de tener señales de frecuencias entre al menos 0.5 kHz a 3 kHz . El posicionamiento ortogonal de los transductores de barra dobladora permite una generación de onda flexional X-X y Y-Y controlada. Las fuentes se montan de una manera tal que se asocia muy poca energía dentro del ensamblaje de la carcasa de la herramienta, minimizando de ese modo la excitación de ondas acústicas no deseadas en la propia herramienta. Además, el montaje de fuente asegura que no haya excitación cruzada de un par de barras dobladoras hacia el otro, asegurando asi una apropiada sintonía de dipolo acústica. Se ha llevado a cabo una prueba rigurosa de la modalidad preferida, en el laboratorio, ambos grupos utilizan grandes tanques de agua igual que en la instalación de prueba Lake Travis en la Universidad de Austin, Texas. Las pruebas han confirmado que la fuente completamente ensamblada es un verdadero dipolo. Las mediciones en las instalaciones de pruebas han mostrado que el diseño del transmisor de dipolo emite una onda flexional verdadera con propiedades direccionales X-X y Y-Y de una reducción de al menos 25 a 30 dB del máximo en los lóbulos del dipolo al mínimo en los puntos de cruce de ejes. El aislante acústico sirve para atenuar y retrasar las ondas acústicas que se propagan a través del cuerpo de la herramienta desde las fuentes hacia el conjunto (46) de elementos del receptor. Se puede usar cualquier aislante 16 acústico estándar, aunque en la solicitud de patente estadounidense co-pendiente No. 10/007, 955 (atty. dkt . # 1391-27000) se describe una modalidad preferida de aislante la cual se incorpora a la presente solicitud como referencia. Este aislante provee dos ventajas notables: puede soportar 45,359.23 kg fuerza (100,000 Ib) de empuje o tirada, y provee más de 90 dB de aislamiento acústico por encima de un extenso rango de frecuencia, el cual se extiende tan abajo como alrededor de los 500 Hz a 600 Hz. Además del aislante principal, los aislantes/absorbedores de onda acústica adicionales se colocan preferentemente en la sección del receptor, ambos en los extremos y entre grupos de receptor sucesivos. Finalmente, el montaje de las fuentes de dipolo y de los propios receptores provee más aislamiento. La combinación de todo lo anterior ha permitido a esta herramienta adquirir apropiadamente señales de formación acústica en la región de sub-kilohertz, una región que está muy cerca del limite de excitación de las ondas flexionales. (La función de excitación para las ondas flexionales exhibe una dramática caída conforme se reduce la frecuencia de la fuente hacia el área de los 600 Hz a 1 kHz; las frecuencias que operan la fuente por debajo de ese nivel excitarán predominantemente las ondas del tubo con muy pocos componentes de onda flexional, si es que los hay. ) 17 Elementos electrónicos del transmisor Cuando la sección de elementos electrónicos principales hace posible la operación de la herramienta de registro de datos acústicos, los elementos electrónicos del transmisor controlan el desencadenamiento y el cronometraje de las fuentes acústicas. Un controlador en los elementos electrónicos del transmisor dispara las fuentes acústicas periódicamente, produciendo de ese modo ondas de presión acústica que se propagan a través del fluido de la perforación de pozo y hacia dentro de la formación circundante. En el lindero de la perforación de pozo, parte de la energía acústica se convierte en ondas-P que viajan a través de la formación y hacia dentro de las ondas de corte que se propagan a lo largo de la interfase entre el fluido de perforación de pozo y la formación. Conforme se propagan esas ondas a lo largo del conjunto (46) de elementos del receptor provocan variaciones de presión que se pueden detectar mediante el conjunto de elemento del receptor. Las señales del conjunto de elementos del receptor preferentemente se procesan en superficie para determinar las características de la formación. La Fig. 4 provee un esquema para los elementos electrónicos de control de la fuente de monopolo. Esos elementos electrónicos de control son más o menos representativos de las herramientas acústicas que existen. La fuente (42) de monopolo se acopla al embobinado secundario de un transformador (104) elevador. (Se 18 incluye una calibración (140) de inductancia para reducir la frecuencia resonante de la señal.) El embobinado principal del transformador (104) se acopla a un capacitor (110) y un transistor (108) momentáneamente cierra el circuito de corriente entre el embobinado primario y el capacitor (110) . Cuando el transistor (108) está apagado, el capacitor (110) se carga mediante una fuente de voltaje a través de una resistencia (112) (o un transistor u otro medio que limite la corriente) . El transistor (108) se controla mediante un controlador (130) . Para "disparar" la fuente de monopolo, el controlador (130) mantiene una señal de control que enciende el transistor (108), permitiendo de ese modo al capacitor (110) descargarse a través del embobinado primario del transformador (104). Esto causa una corriente oscilatoria en el embobinado secundario. Esta corriente oscilatoria es una señal eléctrica que causa que la fuente (42) de monopolo genere una señal acústica. En la modalidad preferida, el controlador (130) es un procesador digital de señal (DSP, por sus siglas en inglés) que ejecuta el software almacenado en una memoria (132) adjunta. El controlador (130) se puede acoplar a un módulo (134) de comunicaciones arriba del pozo a través de una herramienta de barra (133) colectora. Una computadora (26) de superficie (Fig. 1) puede comunicarse con el controlador (130) para leer y cambiar los parámetros de operación del controlador (130) y los algoritmos del software . 19 Una diferencia significativa de una generación anterior de herramientas de dipolo cruzado, y una ventaja distinta de la fuente empleada en esta herramienta es el mecanismo de excitación de la fuente de dipolo y su conjunto de elementos de control asociados. En términos simples, esta fuente de dipolo es totalmente programable en todos sus aspectos incluyendo frecuencia, amplitud, sintonía de onda emitida y duración de la onda. Además de la programabilidad de las características de la fuente de dipolo, el conjunto de elementos electrónicos en la herramienta ofrece un control casi ilimitado de la secuencia "disparadora" de la fuente y el cronometraje entre disparos consecutivos . La Fig. 5 provee un esquema para el conjunto de elementos electrónicos de control para uno de los transductores de la fuente de dipolo. A diferencia de la fuente de monopolo, el circuito de accionamiento para los transductores de fuente de dipolo emplea una configuración del conductor lineal. Consecuentemente, la señal acústica generada por el transductor (44) rastrea de cerca la señal análoga generada por el convertidor (128) de digital a análogo (DAC) en respuesta a una forma de onda digital provista por el controlador (130) . La forma de onda se puede almacenar en la memoria (132) o se puede generar de acuerdo con el software almacenado en la misma. En una modalidad alternativa, la forma de onda se puede transmitir desde la superficie. 20 El transductor (44) convierte una señal eléctrica en una señal acústica a través de la expansión y la contracción inducida de voltaje. La expansión y contracción del transductor (44) son causadas respectivamente por diferencias positivas y negativas de voltaje a través de las terminales. Las diferencias de voltaje positivas se inducen en el embobinado secundario del transformador (105) cuando el transistor (109) se enciende y el transistor (111) está apagado. Por el contrario, las diferencias de voltaje negativas se inducen cuando el transistor (111) se enciende y el transistor (109) está apagado. Las señales de control para los transistores (109), (111) se proveen desde un módulo (116) rectificador/divisor a través de los amplificadores (113), (115). El modulo (116) rectificador/divisor divide una señal de entrada en dos señales de salida. Una de las señales de salida representa la señal de entrada cuando la señal de entrada es positiva, y es igual a cero cuando señal de entrada es negativa. La otra señal de salida representa el negativo de la señal de entrada cuando la señal de entrada es negativa, y es igual a cero cuando la señal de entrada es positiva. De esta manera, ambas señales de salida son siempre positivas o cero. La porción, que queda del conjunto de elementos electrónicos de control para la fuente de dipolo del transductor es el amplificador (118) sumador. La salida del amplificador (118) sumador se provee como la señal de salida para el módulo (116) 21 rectificador/divisor. El amplificador sumador tiene una salida que no se invierte, la cual se conecta a tierra, y una entrada que se invierte, la cual recibe una suma cargada de cuatro señales: la señal análoga del DAC (128), la salida del amplificador (118) sumador y los voltajes en las terminales externas del embobinado primario del transformador (105) . Cada una de las cuatro señales se le proveen a la entrada que se invierte del amplificador (118) sumador a través de una resistencia (119), (120), (122), (124). Los pesos relativos de las resistencias (119) -(124) se seleccionan para causar los voltajes en las terminales externas de las primeras para rastrear sus respectivas porciones de la señal análoga tan de cerca como sea posible. Este diseño permite el uso de transistores MOSFET clasificados como de alta potencia (los cuales son típicamente dispositivos no lineares) en un amplificador lineal de alta potencia. Para más detalles, los fundamentos del diseño operativo del amplificador se pueden consultar en cualquier texto estándar de electrónica, como el de Horo itz y Hill, El Arte de la Electrónica, 2a ed, ©1989 Cambridge University Press. En el registro de datos de un cable de acero de dipolo clásico el periodo de activación de la fuente y la secuencia en la cual se activan las fuentes están bastante más definidos sólo por la velocidad del registro de datos y el requerimiento de un número establecido de muestras por metro. En un escenario 22 típico, las herramientas de registro de datos acústicos existentes energizarán la fuente del monopolo y luego energizarán las dos fuentes de dipolo en secuencia (o primero energizan las dos fuentes de dipolo y luego la fuente de monopolo) . La presente herramienta permite al operador programar la herramienta para la fuente completa de la secuencia de activación para casi cualquier combinación concebible que energice las tres fuentes en la secuencia. Dependiendo de los requerimientos de evaluación de la formación, se puede visualizar un escenario en el cual se registran datos de sólo una sección del pozo en un modo total de dipolo cruzado y se puede acomodar mediante los controles avanzados implementados en este diseño. Además de la fuente de control, la sincronización entre las activaciones consecutivas también son programables . Las fuentes se pueden disparar individualmente o concurrentemente (en el ultimo caso, las fuentes preferentemente emitirían formas de onda distinguibles) . En un escenario de operación esperado, las tres activaciones de fuente (monopolo, dipolo X, dipolo Y) ocurren a 100 m de separación una de la otra. Para la velocidad de registro de datos estándar de 548.64 m/hr (1800 pies/hr) esto implica un desplazamiento de profundidad de 1.524 cm (0.6 pulgadas) entre activaciones de fuente de dipolo consecutivas, dando adquisiciones de dipolo que están esencialmente "sincronizadas" tanto en profundidad como en tiempo. Debido a 23 que las 64 formas de onda de dipolo se adquieren dentro de los 1.524 cm (0.6 pulgadas) del movimiento vertical de la herramienta, no se requiere el desplazamiento de profundidad de los datos de la forma de onda para los descentramientos de las fuentes de dipolo X-Y y los retrasos de disparo del transmisor.

La programabilidad de la herramienta acústica revelada hace posible una variedad de métodos de registro de datos mejorados. En un método de registro de datos mejorado, se usan múltiples frecuencias. En la primera secuencia de disparo (por ejemplo, monopolo, X-X dipolo, Y-Y dipolo) , la forma de onda de la frecuencia de dipolo se establece a una frecuencia baja (por ejemplo 0.5 kHz) , y en la siguiente secuencia de disparo, la frecuencia de la forma de onda de dipolo se fija a una alta frecuencia (por ejemplo, 3 kHz) . El controlador (130) puede alternar entre dos frecuencias o ciclos a través de múltiples frecuencias. De esta manera, los registros de datos acústicos en múltiples frecuencias se pueden adquirir en una sola corrida. En otro método de registro de datos mejorado, se usan múltiples formas de onda. En una primer secuencia de disparo, se transmite una forma de onda de dipolo de "chirrido". Una característica notable de las formas de onda de chirrido es que "barre" a través de un rango de frecuencias de señal . El controlador (130) puede procesar los resultados de este disparo para determinar una mejor frecuencia de investigación de la formación, y luego usa un pulso de una sola frecuencia (u otra 24 señal de banda de frecuencia estrecha) como la forma de onda para la siguiente secuencia de disparo. Las pruebas claramente han mostrado que hay una frecuencia óptima para ondas flexionales que se excitan y se espera que esta metodología incremente enormemente la respuesta de la formación a las ondas flexionales . En aún otro método mejorado de registro de datos más, el controlador (130) monitorea las amplitudes de señal recibidas y sensiblemente adapta la amplitud de la forma de onda de dipolo transmitida. La amplitud de señal preferentemente se optimiza para maximizar la energía transmitida a través de la formación sin saturar los receptores. En un método de registro de datos mejorado, la forma de onda de dipolo es una pequeña ondulación de Ricker. Las pequeñas ondulaciones de Ricker comúnmente se emplean en sismología y su uso en el registro de datos acústicos puede facilitar la síntesis del registro de datos con datos de sismología. En aún otro método de registro de datos mejorado, el controlador (130) ajusta la duración de la forma de onda transmitida para compensar el ruido ajeno. Incrementar la duración de la forma de onda incrementa la energía transmitida, mejorando de ese modo la medición de la proporción señal a ruido (SNR, por sus siglas en inglés) . Alternativamente, la duración se puede alterar para ajustar a la medida el ancho de banda de la forma de onda . 25 En aún otro método de registro de datos mejorado, el controlador (130) dispara los transductores en un orden que depende de la resolución deseada de mediciones basadas en una forma de onda dada. Por ejemplo, un registro de datos de baja frecuencia de dipolo puede requerir menos mediciones que un registro de datos de alta frecuencia de dipolo. Consecuentemente, el controlador (130) puede programarse para disparar los transductores de dipolo con una forma de onda de baja frecuencia a menudo menor que el disparo con una forma de onda de alta frecuencia (por ejemplo a menudo de la mitad) Esto permitiría un registro de datos más rápido o reduce el ancho de banda necesario de la telemetría. En aún otro método de registro de datos mejorado, el controlador (130) adaptativamente ajusta la frecuencia de la forma de onda de dipolo para maximizar la respuesta de la formación. Además de maximizar las mediciones de SNR, este método de registro de datos también provee un registro de frecuencia acústica de la formación, es decir un registro que muestra la frecuencia de resonancia de capas sucesivas de la formación . En un método más de registro de datos mejorado, el controlador (130) se puede programar con una forma de onda de dipolo que maximiza la energía de la señal mientras que minimiza el modo de la herramienta. Esto es, la forma de onda programada puede ser una señal de banda ancha con radiaciones nulas de 26 frecuencia en modos de vibración del cuerpo de la herramienta. Otros parámetros que son preferentemente programables incluyen: la tasa de disparo, el intervalo de digitalización (es decir la frecuencia de muestreo del convertidor de análogo a digital) y el número de muestras adquiridas por cada sensor. Claro esta que en cada uno de los métodos anteriores los parámetros ajustados se pueden controlar desde la superficie, ya sea automáticamente o mediante un control manual; o se pueden controlar mediante la propia herramienta (por ejemplo usando mecanismos de control adaptativos o algoritmos) . La herramienta de registro de datos acústicos es totalmente combinable con todas las suites de registro de datos, minimizando de ese modo el número de travesías de registro de datos requeridas para la evaluación de la formación. El transmisor de monopolo de baja frecuencia (comparado con otras herramientas sónicas de forma de onda completa y de dipolo) permite las mediciones de las Vp/Vs que se van a obtener dentro de profundidades similares investigación, suficientemente mas allá de cualquier región alterada de la perforación de pozo. Y por ultimo, las fuentes de dipolo a profundidad cruzada y la secuencia de disparo del transmisor, permite que se puedan usar todas las 64 formas de onda de dipolo del conjunto de elementos de ocho niveles del receptor de manera confiable para análisis de anisotropía sin la necesidad del desplazamiento en la profundidad o la normalización de los datos de la forma de onda. 27 Serán claras numerosas variaciones y modificaciones para quienes son hábiles en el arte una vez que se aprecie en su totalidad la anterior revelación. Por ejemplo, la herramienta se puede adaptar para su uso en LWD/MWD, cable de acero, registro de datos a través de tubería, etc. Se pretende que las siguientes reivindicaciones se interpreten para abarcar todas esas variaciones y modificaciones.

Claims (22)

1. 28
2. CAPITULO REIVINDICACTORIO Habiendo descrito la invención, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama lo contenido en las siguientes : REIVINDICACIONES 1. Una herramienta de registro de datos acústicos que comprende : Un controlador ; un convertidor de digital a análogo (DAC) que convierte una forma de onda digital del controlador en una forma de onda análoga; un transductor acústico que convierte una señal eléctrica en una señal acústica; y un conductor lineal que recibe la forma de onda análoga desde el DAC sensiblemente provee la señal eléctrica hacia el transductor acústico, caracterizada porque la señal eléctrica es proporcional a la forma de onda análoga. 2. La herramienta de registro de datos acústicos de la reivindicación 1, caracterizada porque la forma de onda digital es programable .
3. 3. La herramienta de la reivindicación 2, que además comprende : Una memoria acoplada al controlador, caracterizada porque el controlador genera la forma de onda digital de acuerdo con el software almacenado en la memoria.
4. 4. La herramienta de la reivindicación 2 , que además comprende : 29 Una memoria acoplada al controlador, caracterizada porque la memoria está configurada para almacenar la forma de onda digital.
5. 5. La herramienta de la reivindicación 2, caracterizada porque la forma de onda digital es una señal de banda ancha con radiaciones nulas espectrales que minimizan un modo de la herramienta .
6. 6. La herramienta de registro de datos acústicos de la reivindicación 2, caracterizada porque la forma de onda digital es comunicada al controlador desde una computadora en la superficie mientras que la herramienta está debajo del pozo.
7. 7. La herramienta de la reivindicación 2, caracterizada porque el controlador opera de acuerdo con una tasa de disparo programable para el transductor acústico.
8. 8. La herramienta de la reivindicación 7, caracterizada porque la duración de la forma de onda digital es programable.
9. 9. La herramienta de la reivindicación 1, caracterizada porque el controlador adapta una frecuencia central de la forma de onda digital para maximizar una respuesta de la formación para la señal acústica.
10. 10. La herramienta de la reivindicación 1, caracterizada porque el controlador adapta una amplitud de la forma de onda digital para mantener una señal de recepción dentro de un rango dinámico predeterminado. 30
11. 11. La herramienta de la reivindicación 1, caracterizada porque el transductor acústico incluye un cristal piezoeléctrico .
12. 12. La herramienta de la reivindicación 1, caracterizada porque el controlador provee formas de onda múltiples, diferentes y digitales para el DAC .
13. 13. La herramienta de la reivindicación 12, caracterizada porque una de las formas de onda digitales es una señal de chirrido, y caracterizada porque otra de las formas de onda digitales es un pulso de frecuencia.
14. 14. La herramienta de la reivindicación 12, caracterizada porque una de las formas de onda digitales tiene una frecuencia central que difiere de una frecuencia central de otra de las formas de onda digitales .
15. 15. La herramienta de la reivindicación 1, caracterizada porque el transductor acústico es un grupo de transductores acústicos que forman una fuente de dipolo cruzado.
16. 16. La herramienta de la reivindicación 1, caracterizada porque el conductor lineal incluye un amplificador de operación en una configuración de retroalimentación que reduce cualquier diferencia entre la señal eléctrica y la forma de onda análoga.
17. 17. La herramienta de la reivindicación 1, caracterizada porque el conductor lineal además incluye: Un amplificador operacional; un rectificador/divisor que recibe una señal de salida desde el amplificador operacional y 31 convierte la señal de salida en una señal positiva que corresponda a una porción positiva de la señal de salida, y en una señal negativa que corresponde a una porción invertida negativa de la señal de salida; un transformador que tiene a primario positivo con un voltaje controlado por la señal positiva, un primario negativo con un voltaje controlado por la señal negativa, y un secundario acoplado al transductor acústico, caracterizado porque el amplificador operacional se configura para reducir una diferencia entre los voltajes primarios del transformador y la forma de onda análoga.
18. 18. Un método de registro de datos que comprende: Convertir una forma de onda digital en una señal análoga; proveer la señal análoga hacia un transductor acústico a través de un conductor lineal; y producir una señal acústica que tiene una forma de onda que corresponde a la forma de onda digital.
19. 19. El método de la reivindicación 18, que además comprende : Convertir una segunda forma de onda digital en una señal análoga, caracterizada porque la segunda forma de onda digital es diferente de la primera forma de onda digital; y producir una señal acústica que tiene una forma de onda que corresponde a la segunda forma de onda digital.
20. 20. El método de la reivindicación 18, que además comprende : Recibir energía acústica que ha pasado a través de una 32 formación en respuesta a la señal acústica y que se produce; y adaptar una frecuencia central de una forma de onda digital para maximizar la energía acústica recibida.
21. 21. El método de la reivindicación 18, que además comprende : Recibir energía acústica que ha pasado a través de una formación en respuesta a la señal acústica y productora; y adaptar una amplitud de la forma de onda digital para limitar una amplitud máxima de la energía acústica recibida.
22. 22. Un método de registro de datos que comprende: Almacenar una forma de onda digital en una memoria abajo del pozo; recuperar la forma de onda digital de la memoria abajo del pozo; aplicar la forma de onda de un convertidor de digital a análogo (DAC) convierte la forma de onda digital en una señal análoga; proveer una señal eléctrica a un transductor acústico desde un conductor lineal, caracterizado porque el conductor lineal incluye una trayectoria de retroalimentación minimizar el error entre una versión a escala de la señal eléctrica y la señal análoga.