MXPA06003237A - Fuente transmisora multipolar - Google Patents

Abstract

Se describen los métodos y aparato que facilita el registro durante la perforación (LWD) o fuente transmisora acústica. La fuente transmisora multipolar permite velocidades de formación, como las velocidades de la onda de cizallamiento a través de las formaciones, las velocidades a través de fluidos locales. Los métodos y aparato son particularmente adecuados y están descritos para LWD y estudios sísmicos alámbricos, en los que se despliega la fuente sísmica y acústica y los receptores en un agujero, pero también pueden utilizarse para VSP (perfilaje sísmico vertical) una medición multipolar de [lacuna]son más lentos que bien adecuado para [lacuna]y los receptores que estáperfilando).

Description

FUENTE TRANSMISORA MULTIPOLAR CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona generalmente con el registro sónico o acústico de las formaciones que rodean una perforación. Más particularmente, la presente invención se relaciona con una fuente transmisora multipolar para usarse con un sistema para registrar mientras se perfora (LWD) .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La generación y registro de ondas acústicas a través una formación subterránea es una medida clave empleada en el registro de un agujero de pozo. Las ondas acústicas se propagan bajo tierra a velocidades que varían en las diferentes formaciones geológicas. Por ejemplo, las ondas acústicas se desplazan aproximadamente a 4000 metros por segundo a través de piedra arenisca y aproximadamente a 5000 metros por segundo a través de piedra caliza. Las ondas se clasifican generalmente en dos tipos: longitudinales y transversales. Una onda longitudinal o compresiva es una en la cual el medio oscila en la misma dirección en que se propaga la onda. Una onda transversal o cortante es una en la cual el medio oscila perpendicular a la dirección en que se propaga la onda. La velocidad o rapidez de una onda acústica a través de un medio se relaciona con la porosidad del medio, una característica importante de una formación, en grado tal, por cuanto se refiere a su potencial para contener hidrocarburos.

Muchas herramientas de registro diferentes están actualmente disponibles para tomar mediciones acústicas para calcular la velocidad de la onda acústica (y su recíproco, la lentitud) . Una herramienta de registro típica incluye dos receptores separados a lo largo de un eje de la herramienta a distancias conocidas de un transmisor acústico. En el caso de un único transmisor, la herramienta de dos receptores sugerida por la técnica previa, la velocidad acústica se estima por medio de restar los tiempos de llegada de la onda entre los dos receptores y dividir por la separación entre los receptores. Esta estimación, sin embargo, está sujeta a inexactitudes debido a la inclinación de la herramienta, deslaves de la perforación, efectos de los límites de la capa, etc. Fuentes y receptores acústicos adicionales y métodos más robustos tales como el STC (Slowness-Ti e Coherency Analysis, análisis de la coherencia de Lentitud-Tiempo) entre otros, se han utilizado para reducir las inexactitudes introducidas por tales efectos ambientales. Sin embargo, cuanto más porosa es una formación, más lenta es la velocidad de propagación de la onda.

Las técnicas de registro precedentes y otras se utilizan a menudo en agujeros de pozo abiertos y enchaquetados, con una herramienta acústica suspendida en un cable eléctrico de acero. Sin embargo, en años recientes varias herramientas y equipos que permiten registrar mientras se perfora se han vuelto disponibles. Los sistemas LWD a veces se incorporan dentro de collares de perforación especiales colocados cerca de la broca de barrena. Los resultados de registrar mediciones se pueden medir a distancia (telemedición) en la parte de arriba de la perforación, usualmente en la forma de pulsos de presión en la corriente de lodo para la detección, exhibición y/o registro sustancialmente en tiempo real, o se pueden registrar para una recuperación posterior. Usualmente la herramienta acústica está equipada con un transmisor monopolar para su uso en medir la velocidad de las ondas compresiva y cortante. Sin embargo, la velocidad de la onda cortante de una formación no se puede medir usando un transmisor monopolar cuando la velocidad de la onda cortante es más lenta que la velocidad del fluido (típicamente lodo de perforación) en el agujero de pozo. Esto es debido a que no puede ocurrir refracción entre el fluido y la formación si la velocidad a través del fluido es mayor que la velocidad a través de la formación (es decir Vf >VS.) .

Además, los ambientes de LWD imponen varias condiciones y restricciones duras que un transmisor de fuente acústica debe sobrevivir. Las condiciones y restricciones incluyen, entre otras cosas, espacio muy limitado para un transmisor en el juego de barrena, una necesidad de señales de presión de salida altas debido al ruido generado por la barrena, un ambiente altamente erosivo, de alta temperatura y de alta presión, y una fuente de alimentación limitada. Hay una necesidad de un sistema de LWD capaz de proveer la velocidad de formación bajo condiciones y restricciones duras, aun cuando la velocidad de formación sea más lenta que la velocidad del fluido en el agujero de pozo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se dirige las deficiencias descritas antes y a otras. Específicamente, la presente invención provee un aparato para generar ondas acústicas en una formación recorrida por un agujero de pozo que incluye un transmisor multipolar, el transmisor multipolar comprende cuatro elementos transmisores acústicos monopolares alojados en un collar de taladro, los cuatro elementos transmisores acústicos monopolares están separados alrededor de una circunferencia del collar de taladro a intervalos aproximadamente iguales. Los cuatro elementos de transmisor acústico multipolar se pueden operar para crear un campo de presión monopolar, bipolar o cuadripolar. De acuerdo con algunas modalidades, cada uno de los cuatro elementos transmisores monopolares incluye un transductor cilindrico y una caja que rodea al transductor, estando la caja y el transductor cilindrico llenos de un fluido. La caja puede estar hecha de Radel® R y tener un espesor de aproximadamente 1 mm. El transductor cilindrico puede ser un transductor piezocerámico PZT que se utiliza de acuerdo con algunas modalidades también como resonador de tubo. Preferiblemente se suministra un voltaje al transductor piezocerámico PZT a una frecuencia más baja que una frecuencia de resonancia del transductor piezocerámico, y a una frecuencia de resonancia del fluido en el transductor piezocerámico.

De acuerdo con algunas modalidades, el transductor cilindrico está intercalado entre separadores que tienen uno o más agujeros. Además, los separadores están intercalados entre primera y segunda cabezas, y una o más barras conectan a la primera y a la segunda cabezas. La caja aloja a los separadores, a la primera y segunda cabezas y a las barras.

De acuerdo con algunas modalidades, el cilindro piezocerámico PZT es una pieza individual y está polarizado uniformemente en una dirección radial por medio de aplicar un voltaje a través de las superficies interna y externa del cilindro con electrodos. El diámetro del transductor piezocerámico PZT se expande a través de un efecto d31 cuando se suministra un voltaje. Cada elemento transmisor acústico monopolar puede incluir adicionalmente un compensador de presión tipo fuelle para mantener o restaurar la linealidad entre el voltaje suministrado y la presión de salida. Los cuatro elementos transmisores acústicos monopolares están alojados en respectivos nichos en el collar de taladro y están cubiertos por un protector, el protector incluye un agujero que permite que los pulsos de presión generados por cada elemento transmisor acústico monopolar se desplacen a través del mismo. Los nichos tienen una profundidad de aproximadamente 2.5 a 5 cm, una anchura de aproximadamente 2.5 a 5 cm y una longitud de aproximadamente 25 a 35 cm. Los cuatro elementos transmisores monopolares puede cada uno comprender un cilindro piezocerámico PZT que tiene una longitud en el rango de entre aproximadamente 5 y 10 cm y un espesor de pared en el rango de aproximadamente 3 a 6 mm. El collar de taladro comprende un tubo y puede incluir un diámetro externo de aproximadamente 17.5 cm y un diámetro interno de aproximadamente 6.1 cm.

Otro aspecto de la invención provee un aparato para generar una señal acústica en respuesta a una señal de control de entrada. El aparato incluye una pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos separados alrededor de una circunferencia común para formar un transmisor acústico, una pluralidad de cajas de polímero, cada una de la pluralidad de cajas de polímero estando asociada a y alojando uno de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos, en donde cada uno de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos está uniformemente polarizado en una dirección radial. Cada uno de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos tiene una superficie interna y una externa, y cada una de las superficies interna y externa está recubierta con plata u otra capa conductora. Las capas conductoras por lo tanto comprenden electrodos, de modo que los electrodos polarizan uniformemente a los elementos piezocerámicos cilindricos radialmente. Por consiguiente, ninguno de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos necesita ser pretensionado ni enrollado bajo tensión con fibras de fuerza alta.

De acuerdo con otra modalidad de la invención, hay un aparato transmisor acústico que incluye un collar de taladro para acoplarse a un juego de barrena, el collar de taladro comprende un nicho, un elemento piezocerámico cilindrico alojado en una caja dispuesta en el nicho, un fluido contenido en la caja, de modo que el elemento piezocerámico cilindrico también comprende un resonador de tubo, en donde una longitud del elemento piezocerámico cilindrico y el tipo de fluido se eligen de modo que una frecuencia de resonancia del fluido sea más baja que una frecuencia de resonancia del elemento piezocerámico cilindrico.

Otro aspecto de la invención provee un método para registrar un agujero de pozo mientras se perfora, que incluye proveer un transmisor acústico y una pluralidad de receptores en un juego de barrena, el transmisor acústico estando dispuesto para proveer una fuente monopolar, bipolar o cuadripolar a partir de una pluralidad de elementos de fuente monopolares, activar el transmisor acústico y recibir y registrar datos de la forma de la onda. El método puede incluir adicionalmente mejorar la presión de salida del transmisor acústico empleando el transmisor acústico como tubo de resonancia y aplicar una señal al transmisor acústico a una frecuencia de resonancia del fluido del tubo de resonancia. El método puede también incluir usar ondas generadas por un efecto d31 del transductor. De acuerdo con algunos métodos, proveer un transmisor acústico incluye proveer un elemento piezocerámico cilindrico y polarizar el elemento uniformemente en una dirección radial. La polarización puede incluir recubrir una superficie interna y una externa del elemento con un conductor para crear dos electrodos y aplicar un voltaje a través de los dos electrodos.

Otro aspecto de la invención provee un método para hacer un transmisor acústico, el método incluye proveer un elemento piezocerámico cilindrico, recubrir una superficie interna y una externa del elemento con una capa conductora para crear electrodos, alojar el elemento piezocerámico cilindrico en una caja, llenar la caja con un fluido, y dimensionar el elemento piezocerámico cilindrico de manera que una frecuencia de resonancia del fluido en el elemento piezocerámico cilindrico sea más baja que una frecuencia de resonancia del elemento piezocerámico mismo. El elemento piezocerámico cilindrico se polariza uniformemente en una dirección radial por medio de los electrodos. El método puede incluir adicionalmente proveer cuatro elementos piezocerámicos cilindricos, insertar los cuatro elementos piezocerámicos cilindricos en cuatro nichos igualmente separados alrededor de una circunferencia de un collar de perforación, y alojar los cuatro elementos piezocerámicos cilindricos con cuatro placas de cierre que tienen ventanas en las mismas.

Las ventajas adicionales y las características nuevas de la invención serán establecidas en la descripción que sigue, o se pueden aprender, por aquellos con habilidad en la técnica, a través de la lectura de estos materiales o de practicar la invención. Las ventajas de la invención se pueden lograr a través los medios enumerados en las reivindicaciones anexas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos anexos ilustran modalidades preferidas de la presente invención y son una parte de la especificación. Junto con la siguiente descripción, los dibujos demuestran y explican los principios de la presente invención.

La FIG. 1 es una vista esquemática de una operación de registro mientras se perfora que usa transductores acústicos de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La FIG. 2A es una vista en sección transversal y de ensamble de un transmisor acústico en un collar de taladro de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La FIG. 2B es una vista frontal de un protector o placa de cubierta mostrada en sección transversal en la FIG. 2B, y que aloja un elemento transmisor acústico de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La FIG. 3 es una vista en perspectiva de un transductor de piezocerámica cilindrico plateado de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La FIG. 4 es una vista en corte separado del transductor piezocerámico cilindrico de la FIG. 3 empacado como un elemento transmisor acústico de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.

A través de los dibujos, los números de referencia y las descripciones idénticas indican elementos similares, pero no necesariamente elementos idénticos. En tanto que la invención es susceptible de varias modificaciones y formas alternativas, las modalidades específicas se han mostrado a modo de ejemplo en los dibujos y serán descritas detalladamente en la presente. Sin embargo, deberá ser entendido que la invención no pretende estar limitada a las formas particulares divulgadas. Antes bien, la invención cubre todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que caen dentro del alcance de la invención, según se define en las reivindicaciones anexas .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Se describen a continuación modalidades ilustrativas y aspectos de la invención. En interés de la claridad, no todas las características de una implementación real se describen en esta especificación.

Por supuesto, será apreciado que en el desarrollo de cualquier modalidad real se deben tomar numerosas decisiones específicas de implementación para alcanzar las metas específicas de los desarrolladores, tales como el cumplimiento de restricciones relacionadas con el sistema y relacionadas con negocios, que variarán de una implementación a otra. Por otra parte, se apreciará que tal esfuerzo de desarrollo podría ser complejo y consumidor de tiempo, pero sería sin embargo una empresa de rutina para aguellos con habilidad ordinaria en la técnica que tienen el beneficio de esta divulgación.

La presente invención contempla métodos y aparato para registrar mientras se perfora (LWD) . Como se discutió antes, los sistemas anteriores de LWD emplean transmisores monopolares para generar ondas acústicas y medir la velocidad o lentitud de la formación. Sin embargo, las fuentes acústicas monopolares no son capaces de facilitar la medición de la velocidad de corte para cualesquiera porciones de una formación que tengan velocidades de corte más lentas que la velocidad del fluido en el pozo. Los principios descritos en la presente posibilitan a un transmisor acústico multipolar capaz de agilizar la medición de las velocidades de corte de la formación que son más lentas que velocidad del fluido local, mientras que se perfora un pozo. Para facilitar las mediciones lentas de la velocidad de corte de la formación, se deben generar campos de presión bipolares, cuadripolares o de alto orden, con suficiente fuerza y coherencia para detectar a pesar del alto nivel de ruido generado por un barreno. Sin embargo, mientras que algunos de los métodos y aparato descrito después son particularmente bien adecuados y descritos para sondeos sísmicos de LWD, en los que tanto la fuente sísmica o acústica como los receptores se despliegan en una perforación, los principios descritos no están tan limitados y se pueden utilizar también para los registros con cable de acero, VSP (perfilamiento sísmico vertical) — en el que ya sea la fuente o el receptor está en la superficie — u otras aplicaciones.

Como se utilizan a través la especificación y las reivindicaciones, los términos "perforación" o "fondo de la perforación" se refieren a un ambiente subterráneo, particularmente en un agujero de pozo. "Juego de barrena" significa una combinación de tubo de perforación, ensamble de fondo de agujero y cualesquiera otras herramientas usadas para que hacer que una broca de barrena gire en el fondo del agujero de pozo. "Collar de taladro" se utiliza ampliamente para indicar un componente tubular de paredes gruesas de un juego de barrena. "Uniforme" o "uniformemente" significa de manera rutinaria el mismo o consonante con otro u otros.

Regresando ahora a las figuras y en particular a la FIG. 1, se muestra un juego de barrena (100) de acuerdo con los principios de la presente invención. El juego de barrena (100) incluye una broca de barrena (102) conectada al extremo de la perforación (104) de una cadena de collares de taladro (106) y que perfora una perforación (108) en la tierra. Un collar de taladro especialmente diseñado (110) cerca de la broca de barrena (102) aloja uno o más dispositivos de registro usados para medir varias características de una formación (112) recorrida por la perforación (108) . Las señales que son representativas de las mediciones se alimentan a una herramienta para medir mientras se perfora (MWD) (114) gue, de acuerdo con la modalidad de la FIG. 1, incluye una válvula rotatoria o "sirena" que genera pulsos de presión en una corriente de lodo dentro del juego de barrena (100) . Los pulsos de presión se transmiten a la superficie a través del tubo de perforación (116) . La válvula rotatoria se controla en respuesta a las señales de medición y produce en el lodo pulsos de presión codificados que se detectan en la superficie, se decodifican y se exhiben y/o se registran. Los sistemas de telemetría de pulsos de lodo, tales como el que se muestra, son entendidos fácilmente por aquellos con habilidad en la técnica que tienen el beneficio de esta divulgación. Muchas diferentes mediciones relacionadas con la características de la formación (112) se pueden hacer por medio de los dispositivos de registro que incluyen, pero no se limitan a: resistividad o conductividad, radiación gamma natural, densidad así como varias mediciones de parámetros de perforación, tales como peso y par de torsión en la broca de barrena (102) y la dirección de la perforación (108) .

En tanto que muchas diferentes mediciones se pueden hacer, la presente invención se dirige a un método y aparato de registro acústico, en donde la lentitud de una formación es medida por medio de medir la velocidad de las ondas acústicas a través de la formación (112) . Por consiguiente, los métodos y aparato descritos en la presente facilitan la medición de las ondas compresivas, cortantes, Stoneley y otras ondas. Las mediciones de la velocidad de onda se pueden transmitir sustancialmente en tiempo real mientras se perfora. De acuerdo con la modalidad mostrada, un registro acústico o sónico se facilita por medio de un transmisor acústico multipolar (118) y de una pluralidad de receptores. Como se muestra en la FIG. 1, la pluralidad de receptores es un conjunto de dos receptores (120, 122) . Los detalles del transmisor acústico multipolar (118) se muestran y se describen en más detalle después con referencia a las FIG. 2A-4. Los dos receptores (120, 122) están separados uno del otro a una distancia axial conocida. En general, las ondas acústicas son generadas por el transmisor acústico multipolar (118) conforme las señales de control eléctricas se comunican al transmisor (118) a través de uno o más circuitos de impulsión del transmisor (124) . Las ondas generadas por el transmisor acústico multipolar (118) se propagan a través del lodo en un anillo (126) entre el collar de taladro (110) y la perforación (108) y hacia adentro de la formación (112) . La dirección de propagación de algunas de las ondas acústicas se representa por una pluralidad de flechas (128) . Las ondas acústicas llegan a los dos receptores (120, 122) en diferentes momentos, debido a la separación entre ellos. La temporización entre la detección de las ondas acústicas mediante los dos receptores (120, 122) es después analizada para determinar la velocidad de propagación de la onda (y por lo tanto la lentitud de la formación) en una base continua conforme el agujero de la perforación (108) continúa siendo perforado.

Refiriéndose a continuación a la FIG. 2A, se muestra una vista en sección transversal del transmisor acústico multipolar (118) dispuesto en el collar de taladro (110) , de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El transmisor acústico multipolar (118) incluye una pluralidad de elementos transmisores acústicos monapolares (130) . De acuerdo con la modalidad mostrada, hay cuatro elementos transmisores acústicos monopolares (130) separados alrededor de una circunferencia del collar de taladro (110) a aproximadamente ángulos iguales de noventa grados. Uno de los elementos transmisores acústicos monopolares (130) se muestra en la vista de ensamble para facilidad de la discusión. Los elementos transmisores acústicos monopolares (130) están dispuestos en nichos asociados (132) en el collar de taladro (110) .

El collar de taladro (110) se puede hacer de tubo de acero inoxidable que tiene un pasaje interno (134) para el paso del lodo y una pared gruesa (136) . De acuerdo con algunas modalidades, un diámetro externo del collar de taladro (110) está en el rango entre aproximadamente 15.0 y 19.0 cm, preferiblemente aproximadamente de 17.5 cm. Un diámetro interno del collar de taladro (110) puede estar en el rango entre aproximadamente 5.0 y 7.0 cm, preferiblemente aproximadamente 6.1 cm. Los cuatro nichos (132) comparten cada uno sustancialmente las mismas dimensiones . La profundidad y la anchura de los cuatro nichos (132) pueden estar en el rango entre aproximadamente 3.0 y 5.0 cm, preferiblemente aproximadamente 4.06 cm. La longitud de los cuatro nichos (132) puede estar en el rango entre aproximadamente 25.00 y 35.00 cm, preferiblemente aproximadamente 30.48 cm. Cada uno de los cuatro nichos (132) tiene un protector asociado que, de acuerdo con las FIG. 2A-B, es una placa de acero (138) dimensionada para cubrir y proteger uno de los elementos transmisores acústicos monopolares (130) y yacer sustancialmente a ras con el diámetro externo del collar de taladro (110) . Cada placa de acero (138) incluye uno o más agujeros (140), a modo de permitir que los pulsos de presión generados por los elementos transmisores acústicos monopolares (130) pasen fácilmente a través del mismo. Sin embargo, de acuerdo con una modalidad alternativa, hay un solo protector que se extiende alrededor del collar de taladro (110) de manera circunferencial para encerrar todos los elementos transmisores acústicos monopolares (130) . Cada uno de los elementos transmisores acústicos monopolares (130) se puede envolver con un aislador tal como hule para evitar daño al mismo por los cortes que siempre están presentes en un ambiente de perforación. La disposición de los cuatro elementos transmisores acústicos monopolares (130) a separaciones sustancialmente iguales alrededor del collar de taladro (110) , así como la combinación de los tamaños los nichos (132) y los elementos transmisores acústicos monopolares (130), maximiza la presión de salida bipolar y/o cuadripolar cuando una señal o señales apropiadas del circuito de impulsión del transmisor (124) está(n) presente (s). Sin embargo, el bajo consumo de energía puede ser una compensación con la presión de salida cuadripolar aximizada. La disposición, como se muestra, puede así proveer ventajosamente ondas de fuente bipolares o cuadripolares a partir de elementos monopolares, para determinar con eficacia las velocidades de la formación que son más lentas que la velocidad del fluido. El típico registro sónico monopolar no puede generar un onda directa o cortante hacia adentro de una formación lenta (Vf > Vs) debido a no puede ocurrir refracción. Sin embargo, una fuente acústica bipolar o cuadripolar puede generar ventajosamente una onda cortante aun en la formación lenta. Una fuente bipolar crea una onda que se flexiona que "patea" la formación (112), generando un onda de superficie (llamada onda pseudo-Rayleigh) en la pared de la perforación (108) . Una fuente cuadripolar genera lo que se conoce como onda tornillo. Dependiendo de la señal del (de los) circuito (s) de impulsión del transmisor (124), el transmisor acústico multipolar (118) se puede por tanto operar para crear un campo de presión monopolar, bipolar o cuadripolar.

Como se mencionó antes, el transmisor acústico mutipolar (118) comprende una pluralidad de elementos transmisores acústicos monopolares (130) . Refiriéndose a continuación a las FIG. 3-4, cada uno de los elementos transmisores acústicos monopolares (130) incluye un transductor cilindrico, que, de acuerdo con las FIG. 3-4, es un cilindro piezocerámico PZT (titanato de plo o-zirconio) (142) . El cilindro piezocerámico PZT (142) es preferiblemente una pieza individual sin uniones. La disposición de un cuerpo individual reduce cualesquiera pérdidas causadas por espacios entre piezas de material adyacentes, cuando un cilindro se construye de múltiples partes. Cuando una señal de control de entrada, tal como un voltaje, se aplica a través del cilindro piezocerámico PZT (142), su diámetro se expande o se contrae a través del efecto d31. El pulso de presión generado por el efecto d31 se utiliza para medir la velocidad de la formación de acuerdo con algunas modalidades de la presente invención, más que usar el efecto de contracción de la longitud d33, empleado típicamente en el registro de agujeros de pozo.

El cilindro piezocerámico PZT (142) incluye una superficie interna (144) y una superficie externa (146) . De acuerdo con algunas modalidades, ambas, las superficies interna y externa (144, 146) , comprenden una capa conductora, aisladas una de la otra por la anchura del cilindro (142) para crear un par de electrodos. Las capas conductoras se pueden agregar o recubrir sobre las superficies interna y externa (144, 146) por adhesión, electrochapado u otros métodos . De acuerdo con algunas modalidades, las capas conductoras son plata. De acuerdo con otras modalidades, las capas conductoras comprenden níquel. Cada una de las superficies interna y externa (144, 146) puede también incluir una traza eléctrica (148, 150, respectivamente) en comunicación eléctrica con el circuito de impulsión del transmisor (124, FIG. 1) . Los electrodos se pueden utilizar para polarizar uniformemente el cilindro piezocerámico PZT (142) en una dirección radial. Los dispositivos anteriores han intentado polarizar los cilindros piezocerámicos PZT radialmente por medio de enrollar el cilindro con alambre, pero tal método de polarización no es capaz de una polarización uniforme, según lo logrado por los electrodos de la presente modalidad. Adicionalmente, los cilindros piezocerámicos PZT anteriores usados como fuentes acústicas son pretensionados por medio de enrollar fibra de fuerza alta alrededor de una circunferencia exterior del cilindro para evitar la autodestrucción en caso de que se suministren al cilindro voltajes a la frecuencia de resonancia del cilindro. Tal pretensionado reduce significativamente la salida de presión de los cilindros anteriores y, por lo tanto, reduce la eficiencia. Sin embargo, de acuerdo con la presente invención, las frecuencias de los voltajes suministrados son siempre más bajas que una frecuencia de resonancia del cilindro piezocerámico PZT (142), haciendo el pretensionado- innecesario y proveyendo un pulso de salida de presión fuerte y eficiente. De acuerdo con las modalidades mostradas, el cilindro piezocerámico PZT (142) incluye un pared de grosor entre aproximadamente 2 y 8 mm, preferiblemente aproximadamente 3 rom, y una longitud que puede variar entre aproximadamente 4 y 25 cm.

Refiriéndose a la FIG. 4, cada cilindro piezocerámico PZT (142) está intercalado en medio de un primero y un de segundo separadores (152, 154) . El primero y segundo separadores (152, 154) están hechos de Radel®-R u otros materiales. El primero y segundo separadores (152, 154) incluyen agujeros (155) para evitar cerrar los extremos del cilindro piezocerámico PZT (142) . El primero y segundo separadores (152, 154) están intercalados entre primera y segunda cabezas (156, 158, respectivamente) . La primera y la segunda cabezas preferiblemente comprenden un metal tal como el acero inoxidable. La primera y segunda cabezas (156, 158) están conectadas entre sí por medio de una o más barras (160) , que también se pueden ser de acero inoxidable o de otros materiales estructurales. La segunda cabeza (158) puede incluir un agujero (162) que conduce hacia un compensador de presión que, de acuerdo con la modalidad de la FIG. 4, es un compensador de presión tipo fuelle (164) . El compensador de presión tipo fuelle (164) mantiene o restaura la linealidad entre el voltaje suministrado y presión de salida, debido a que sin el compensador un aumento en el voltaje suministrado al cilindro piezocerámico PZT (142) a menudo cambia ,1a forma de la onda de la presión de salida y rompe la linealidad.

Adicionalmente, la traza eléctrica (148) conectada con la superficie interior (144) del cilindro piezocerámico PZT (142) también está conectada eléctricamente con un primer pasante de alimentación eléctrica (166) . Asimismo, la traza eléctrica (150) conectada con la superficie exterior (146) del cilindro piezocerámico PZT (142) también está conectada eléctricamente con un segundo pasante de alimentación eléctrica (168) . Cada uno de los componentes mostrados en la FIG. 4 se empaca en una caja (170) que se sostiene en el nicho (132, FIG. 2A) por medio de primero y segundo montajes (172, 174, FIG. 2A) .

La caja (170) se hace preferiblemente de un polímero, tal como Radel®-R, aunque los metales u otros materiales también se pueden utilizar para la caja. La caja de Radel®-R (170) es de aproximadamente 1 mía de espesor y provee una transmisión superior de los pulsos de presión generados por el cilindro piezocerámico PZT (142, FIG. 4), comparada con las cajas de metal. La caja (170) y, por lo tanto, el cilindro piezocerámico PZT (142) se llenan preferiblemente de manera sustancial con un fluido, tal como el aceite de silicio u otro fluido. Por lo tanto, el cilindro piezocerámico PZT (142) también se puede emplear como un resonador de tubo para mejorar adicionalmente la presión de salida y/o reducir el consumo de energía. Por consiguiente, para tomar ventaja de la resonancia del fluido, las longitudes del cilindro piezocerámico PZT (142) se eligen para controlar correspondientemente la frecuencia de resonancia del fluido. Por ejemplo, de acuerdo con algunas modalidades, el fluido es aceite de silicio y el cilindro piezocerámico PZT (142) es de aproximadamente 5 cm, dando por resultado una frecuencia de resonancia del fluido de 10kHz. De manera similar, usando el mismo fluido y extendiendo la longitud del cilindro piezocerámico PZT (142) hasta aproximadamente 10 cm, produce una frecuencia de resonancia del fluido de 5kHz (sin una corrección de extremo abierto) . La frecuencia de resonancia del cilindro piezocerámico PZT (142) es sustancialmente más alta que estas frecuencias de resonancias del fluido, lo que permite que el cilindro piezocerámico PZT (142) opere muy eficientemente sin la necesidad del pretensionamiento. Además, la resonancia dentro de los cilindros de piezocerámica PZT (142) se evita debido a que los extremos de los cilindros piezocerámicos PZT (142) están abiertos.

En operación, el transmisor acústico multipolar (118) y los receptores (120, 122) se montan en respectivos nichos (p. Ej . , 132, FIG. 2A) en el collar de taladro (110) . Se dispone electrónica diversa, que incluye el circuito de impulsión del transmisor (124) , en cámaras atmosféricas en las paredes del collar de taladro (110) . Aplicar un voltaje a través de los cilindros piezocerámicos PZT (142) activa el transmisor acústico multipolar (118) . La aplicación de un voltaje ocasiona que los cilindros piezocerámicos PZT (142) se expandan por el efecto d31 y generen una onda de presión en el fluido contenido por la caja (170) . La onda de presión se desplaza a través de cualquier lodo de perforación en el anillo (126) de la perforación (108) y se propaga hacia adentro de la formación (112) . Por lo menos una porción de la onda se propaga hacia arriba de la perforación, de acuerdo con la dirección de las flechas (128), y de regreso hacia la perforación (108), en donde energiza a los receptores (120, 122) . Los receptores generan señales de salida eléctricas basadas en la temporización de la detección de la forma de la onda, y las señales de salida se miden a distancia (telemedición) por la parte de arriba de la perforación mediante la herramienta de medición mientras se perfora (114) . La velocidad o la lentitud de la formación se calcula a partir de las señales de salida, la cual es generalmente indicativa de la porosidad de la formación. La señal de control de entrada a los cilindros piezocerámicos PZT (142) se puede ajustar para producir campos de presión monopolares, bipolares o cuadripolares, permitiendo la medición de las velocidades de formación lentas. Por ejemplo, los campos de presión monopolares se pueden producir por medio de aplicar señales de entrada de la misma polaridad a todos los elementos transmisores o a un patrón circunferencial de elementos transmisores. Los campos de presión bipolares se pueden producir por medio de aplicar señales de entrada de polaridad opuesta a elementos transmisores opuestos. Los campos de presión cuadripolares se pueden producir por medio de aplicar señales de entrada de una polaridad a un conjunto de elementos transmisores opuestos y aplicar señales de entrada de la polaridad opuesta a un segundo conjunto de elementos transmisores opuestos.

La descripción precedente se ha presentado sólo para ilustrar y describir la invención y algunos ejemplos de su implementación. No tiene la intención de ser exhaustiva o de limitar la invención a ninguna forma precisa divulgada. Muchas modificaciones y variaciones son posibles a la luz de la enseñanza anterior. Los principios descritos en la presente se pueden utilizar para crear cualquier dispositivo pasante de alimentación eléctrica con las trazas eléctricas que recorren el exterior, más que el interior del dispositivo.

Los aspectos preferidos fueron seleccionados y descritos para explicar lo más mejor posible los principios de la invención y su aplicación práctica. La descripción anterior tiene la intención de permitir a otros con habilidad en la técnica utilizar lo más mejor posible la invención en varias modalidades y aspectos, y con varias modificaciones como sea conveniente para el uso particular contemplado. Se piensa que el alcance de la invención está definido por las siguientes reivindicaciones .

Claims (51)

REIVINDICACIONES

1. - Un aparato para generar onda acústicas en una formación recorrida por un agujero de pozo, caracterizado porque comprende : un transmisor acústico multipolar, el transmisor acústico multipolar comprende cuatro elementos transmisores acústicos monopolares alojados en un collar de taladro, los cuatro elementos transmisores acústicos monopolares están separados alrededor de una circunferencia del collar de taladro a intervalos aproximadamente iguales.

2.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los cuatro elementos transmisores acústicos monopolares se pueden operar para crear un campo de presión monopolar, bipolar o cuadripolar.

3.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de los cuatro elementos transmisores acústicos monopolares comprende un transductor cilindrico y una caja que rodea al transductor.

4.- El aparato de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la caja y el transductor cilindrico están llenos de un fluido.

5.- El aparato de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la caja comprende Radel®-R.

6.- El aparato de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque la caja comprende un grosor de aproximadamente 1 mm.

7. - El aparato de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el transductor cilindrico comprende un transductor piezocerámico PZT.

8.- El aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el transductor piezocerámico PZT comprende un resonador de tubo.

9.- El aparato de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque se suministra un voltaje al transductor piezocerámico PZT a una frecuencia más baja que una frecuencia de resonancia del transductor piezocerámico .

10.- El aparato de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque se suministra un voltaje al transductor piezocerámico PZT a la frecuencia de resonancia del fluido en el transductor piezocerámico.

11.- El aparato de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el transductor cilindrico está intercalado entre separadores que tienen uno o más agujeros en ellos para evitar cerrar los extremos del cilindro y para evitar resonancia dentro del resonador de tubo.

12.- El aparato de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque los separadores están intercalados entre primera y segunda cabezas, y en donde la primera y la segunda cabezas están conectadas por una barra.

13.- El aparato de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la caja aloja a los separadores, la primera y segunda cabezas y la barra.

14.- El aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el cilindro piezocerámico PZT es una pieza individual y está polarizado uniformemente en una dirección radial por medio de aplicar un voltaje a través de las superficies interna y externa del cilindro con electrodos.

15.- El aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque un diámetro del transductor piezocerámico PZT se expande o se contrae a través de un efecto d31 cuando se suministra un voltaje.

16.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada elemento transmisor acústico monopolar comprende un compensador de presión tipo fuelle para mantener o restaurar la linealidad entre el voltaje suministrado y la presión de salida.

17.- El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los cuatro elementos transmisores acústicos monopolares están alojados en respectivos nichos en el collar de taladro y están cubiertos por un protector, el protector comprende un agujero para permitir que los pulsos de presión generados por cada elemento transmisor acústico monopolar de desplacen a través del mismo.

18.- El aparato de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque cada uno de los respectivos nichos comprende un protector asociado, el protector asociado comprende una pluralidad de agujeros para permitir que pulsos de presión generados por cada transmisor acústico monopolar se desplacen a su través.

19.- El aparato de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque los nichos comprenden una profundidad de aproximadamente 3.0 a 5.0 cm, una anchura de aproximadamente 3.0 a 5.0 cm y una longitud de aproximadamente 25 a 35 cm.

20.- El aparato de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque los cuatro elementos transmisores monopolares comprende cada uno un cilindro piezocerámico PZT que tiene una longitud en el rango entre aproximadamente 5 y 10 cm y un espesor de pared que está en el rango de aproximadamente 3 a 6 mm.

21.- El aparato de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el collar de taladro comprende un tubo que tiene un diámetro externo de aproximadamente 17.5 cm y un diámetro interno de aproximadamente 6.1 cm.

22.- Un aparato para generar una señal acústica en respuesta a señales de control de entrada, caracterizado porque comprende : una pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos separados alrededor de una circunferencia común para formar un transmisor acústico multipolar; una pluralidad de cajas de polímero, cada una de la pluralidad de cajas de polímero estando asociada a y alojando uno de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos; en donde cada uno de la pluralidad de elementos piezoceráiaicos cilindricos está polarizado uniformemente en una dirección radial.

23.- El aparato de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos comprende una superficie interna y una externa, en donde cada una de las superficies interna y externa incluye una capa conductora, las capas conductoras comprenden electrodos.

24.- El aparato de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque los electrodos polarizan radialmente, de manera uniforme, los elementos piezocerámicos cilindricos.

25.- El aparato de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque las capas conductoras comprenden plata.

26.- El aparato de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque las capas conductoras comprenden níquel.

27.- El aparato de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque ninguno de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos está pretensionado.

28.- El aparato de conformidad con la reivindicación 27, caracterizado porgue ninguno de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos se enrolla bajo tensión con fibras de fuerza alta.

29.- El aparato de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque cada una de la pluralidad de cajas está llena de un fluido, y en donde la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos y de cajas comprende tubos de resonancia de fluido.

30.- El aparato de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de' elementos piezocerámicos cilindricos comprende primero y segundo extremos, en donde el primero y el segundo extremos están abiertos y separados de la caja asociada.

31.- El aparato de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque la señal de control de entrada comprende una frecuencia más baja que una frecuencia de resonancia de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos.

32.- El aparato de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque la señal de control de entrada comprende una frecuencia a una frecuencia de resonancia del fluido dentro de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos. 33.- El aparato de conformidad con la reivindicación 32, caracterizado porque la frecuencia de resonancia del fluido dentro de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos se controla mediante la geometría de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos para que esté debajo de la frecuencia de resonancia de los elementos piezocerámicos cilindricos. 34.- El aparato de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque uno o más de la pluralidad de elementos piezocerámicos cilindricos comprende un compensador de presión tipo fuelle. 35.- El aparato de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque la pluralidad de cajas de polímero comprende Radel®-R. 36.- El aparato de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque la pluralidad elementos piezocerámicos cilindricos y las cajas asociadas comprenden cuatro elementos piezocerámicos cilindricos y cajas igualmente separadas alrededor de la circunferencia dentro de respectivos nichos de un collar de taladro. 37.- El aparato de conformidad con la reivindicación 36, caracterizado porque cada uno de los cuatro elementos piezocerámicos cilindricos comprende una fuente monopolar, y en donde la combinación de los cuatro elementos piezocerámicos cilindricos comprende una fuente monopolar, bipolar o cuadripolar, dependiendo de las señales de control de entrada. 38.- Un aparato transmisor acústico, caracterizado porque comprende : un collar de taladro para acoplarse a un juego de barrena, el collar de taladro comprende un nicho; un elemento piezocerámico cilindrico encerrado por una caja dispuesta en el nicho; un fluido contenido por la caja; en donde el elemento piezocerámico cilindrico también comprende un resonador de tubo; en donde una longitud del elemento piezocerámico cilindrico y el fluido se eligen de modo que una frecuencia de resonancia del fluido sea más baja que una frecuencia de resonancia del elemento piezocerámico cilindrico. 39.- El aparato de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado porque comprende adicionalmente cuatro nichos en el collar de taladro igualmente separados alrededor de una circunferencia del collar de taladro; y cuatro elementos piezocerámicos cilindricos encerrados por cajas dispuestas en los cuatro nichos. 40.- El aparato de conformidad con la reivindicación 39, caracterizado porque cada uno de los cuatro elementos piezocerámicos cilindricos comprende una fuente monopolar, pero utilizados en combinación los cuatro elementos piezocerámicos cilindricos comprenden un transmisor monopolar, bipolar o cuadripolar. 41.- El aparato de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado porque el elemento piezocerámico cilindrico está polarizado uniformemente en una dirección radial. 42.- El aparato de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado porque el elemento piezocerámico cilindrico comprende adicionalmente un compensador de presión tipo fuelle, y en donde la caja comprende Radel®-R. 43,- Un método para registrar un agujero de pozo mientras se perfora, caracterizado porque copprende los pasos de: proveer un transmisor acústico y una pluralidad de receptores en un juego de barrena, el transmisor acústico estando dispuesto para proveer una fuente monopolar, bipolar o cuadripolar a partir de una pluralidad de elementos de fuente monopolares; activar el transmisor acústico; y recibir y registrar datos de la forma de onda. 44.- El método de reivindicación 43, caracterizado porque comprende adicionalmente mejorar la presión de salida del transmisor acústico por medio de emplear el transmisor acústico como tubo de resonancia y aplicar una señal al transmisor acústico a una frecuencia de resonancia del fluido del tubo de resonancia. 45.- El método de reivindicación 43, caracterizado porque comprende adicionalmente utilizar ondas generadas por un efecto d31 del transductor y no ondas generadas por un efecto d

33. 46.- El método de conformidad con la reivindicación 43, caracterizado porque proveer un transmisor acústico comprende adicionalmente proveer un elemento piezocerámico cilindrico y polarizar el elemento uniformemente en una dirección radial. 47.- El método de reivindicación 46, caracterizado porque la polarización comprende adicionalmente recubrir una superficie interna y una externa del elemento con un conductor para crear dos electrodos, y aplicar un voltaje a través de los mismos. 48.- Un método para hacer un transmisor acústico, caracterizado porque comprende los pasos de: proveer un elemento piezocerámico cilindrico; recubrir una superficie interna y una externa del elemento con una capa conductora para crear electrodos; alojar el elemento piezocerámico cilindrico en una caja; llenar la caja con un fluido; y dimensionar el elemento piezocerámico cilindrico de modo que una frecuencia de resonancia del fluido en el elemento piezocerámico cilindrico sea más baja que una frecuencia de resonancia del elemento piezocerámico mismo. 49.- El método de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado porque el elemento piezocerámico cilindrico es polarizado uniformemente en una dirección radial por los electrodos. 50.- El método de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado porque comprende adicionalmente: proveer cuatro elementos piezocerámicos cilindricos; insertar los cuatro elementos piezocerámicos cilindricos en cuatro nichos igualmente separados alrededor de una circunferencia de un collar de taladro; y encerrar los cuatro elementos piezocerámicos cilindricos con cuatro placas que tienen ventanas en las mismas. 51.- El método de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado porque comprende adicionalmente añadir un compensador de presión tipo fuelle al elemento piezocerámico cilindrico.