NO161587B - Maaleinnretning for en seismisk profil i en broennboring. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en måleinnretning for en vertikal seismisk profil i en brønnboring.

Målinger som tas i en brønnboring, faller vanligvis i to hoved-klasser. Den første klasse er kjent som ultralyd-måling. Denne type måling utføres ved hjelp av et verktøy som senkes ned i brønnboringen i enden av en kabel. Verktøyet innbefatter en eller flere sendere og en eller flere mottagere i tillegg til de anordninger som kreves for å slå på senderne på egnede tidspunkter, og anordninger for overføringav de i mottagerne mottatte signaler til overflaten, for opptegning og behandling av signalene der.

Ultralyd-målinger utføres med sendere som kan sende ut høy-frekvens-lydsignaler innenfor området noen få tusen Hz opptil flere titusner Hz i det fluidum som fyller brønnen. Lydsignalene forplanter seg i fluidet i form av kompresjonsbølger hvor de aktuelle fysiske parametre i hovedsaken er trykket og partikkel-hastigheten.

Det skal her nevnes at når måleverktøyet får kontakt med heterogene formasjoner rundt verktøyet, og særlig når det får kontakt med veggen i borehullet, vil det kunne tilveiebringes bølger av ulike typer. Ultralyd-målinger utføres imidlertid vanligvis slik at man er sikret at andre bølger enn kompresjonsbølgene reduseres eller svekkes sterkt og at feil således sannsynlig-

vis ikke vil oppstå under behandlingen av de interessante kompresjonsbølger.

I de fleste tilfeller utføres ultralyd-målinger under en for-skyvning av verktøyet, dvs. mens verktøyet beveger seg i brønn-boringen. Verktøyets relativt lave hastighet i boringen (noen få meter/minutt) gir ingen parasitt-støy i mottagerne.

De anvendte mottagere (også kjent som transdusere) er hydro-foner som i realiteten består av vibrasjonstrykkfølere eller såkalte pick-ups. De bølger som mottas av følerne vil motta de tidligere nevnte kompresjonsbølger og eventuelle parasitt-bølger som utledes fra kompresjonsbølgene og tilveiebringes av heterogene formasjoner. Varigheten til hvert brukbart signal som mottas av føleren etter hver utsending, er av størrelses-ordenen noen få millisekunder, under hensyntagen til frekvensen til de utsendte signaler.

Det er vesentlig å merke seg at målingen av en kompresjons-bølge mottatt av føleren , dvs. en måling av vibrasjonstrykk, gjør det mulig bare å få en skalaer mengde, dvs. at man ikke kan si noe om orienteringen i rommet.

Det forefinnes flere ulike verktøytyper for ultralyd-målinger. Disse verktøy er slike at man unngår bølger som forplanter seg

i verktøymassen, og det er mulig å danne akustiske baner med sylindersymmetri om brønnboringens akse.

Den andre type målinger relaterer til en vertikal seismisk profil, en skrå seismisk profil eller en seismisk brønnprofil, og denne andre måletype adskiller seg helt i fra den første.

Når man eksempelvis leter etter petroleum, er det nødvendig

å bestemme naturen og egenskapene til underjordiske strata som omgir borehullet. For dette formål tilveiebringes seismisk energi på overflaten og ikke i borehullet ved hjelp av en detonasjon (eksplosiv ladning), et egnet støt (bevirket av en fallende vekt), eller en vibrasjon i kontakt med overflaten. Denne seismiske energi tilveiebringer bølger som forplanter seg i de underjordiske strata og mottas av geofoner og ikke av de nevnte følere. Geofoner utføres som form av "velocimetere" som er følsomme overfor vibrasjonshastighet og er plassert enten på overflaten, i hvilket tilfelle de mottar de bølger som er reflektert og/éller kastet tilbake fra de forskjellige underjordiske strata, eller i borehullet, men i så tilfelle må de nødvendigvis ha direkte kontakt med

veggen i borehullet, i motsetning til hva som er tilfellet ved ultralyd-måling, hvor følerne må befinne seg i det fluidum som fyller borehullet.

I alle tilfeller er geofoner eller velocimetre følsomme overfor vibrasjonshastighet og må muliggjøre bestemmelse av alle typer seismiske bølger som tilveiebringes av den energi som emitteres på overflaten. I virkeligheten gir direkte mekanisk kopling mellom emitteringsmidlene og overflaten alle slags bølgetyper, fordi den seismiske energi som emitteres eller sendes ut, nødvendigvis møter heterogene formasjoner i jorden under eks-ploreringen. Som følge herav kan det ikke lenger være å be-trakte som tilstrekkelig å motta en bestemt bølge blant andre i en eller flere geofoner, eller å oppnå en skalær mengde.

Tvert i mot, geofonene må nødvendigvis motta samtlige bølger, herunder kompresjons- eller transversalbølger, og i alle retninger som bølgene forplanter seg i, slik at man under den senere behandling eller prosesering kan skjelne alle mulige retninger for vibrasjonshastighetene.

Under hensyntagen til de transmisjonsanordninger som benyttes

og det mål som tilstrebes, overføres frekvenser innenfor området noen få Hz opptil noen få hundre Hz, eksempelvis 5 til 500 Hz), og varigheten til det utnyttbare signal er av størr-elsesordenen noen få sekunder.

Det skal også, i motsetning til ultralyd-målinger, nevnes at

ved den andre måletype og under verktøyets oppadgående bevegelse, utføres målingene med geofonene eller geofonene stasjonære i forhold til borehullveggen, samtidig som de holdes mot veggen for derved å sikre en tilfredsstillende kopling.

Den etterfølgende behandling av de mottatte signaler gjør det mulig å oppnå utnyttbar informasjon vedrørende de underjordiske strata som bølgene går gjennom fra overflaten og til geofonene. Det kan benyttes flere ulike metoder. Det er mulig å plassere geofonene i intervaller (jevne eller ujevne sådanne) langs borehullet, og å behandle dataene i de forskjellige geofoner. Det er også mulig å benytte et verktøy som innbefatter en geofon og som stoppes på hvert egnet nivå i borehullet under hver måling.

I den nevnte andre måletype er det en vesentlig vanskelighet

at man ennå ikke har funnet noen metode som gir tilfredsstillende kopling mellom geofonen og veggen i borehullet.

Et forsøk på å overvinne denne vanskelighet er beskrevet i det franske patentskrift nr. 1.16 9.871. Denne kjente innretning innbefatter et verktøy med et sylindrisk element som tjener til å holde et geofonutstyr i den ønskede høyde i brønnbor-ingen, og geofonutstyret hindres i å rotere i forhold til verk-tøyet ved hjelp av en kileforbindelse. Geofonutstyret innbefatter to krummede bladfjærer som er plassert symmetrisk på hver side av det i brønnboringen sentrerte verktøy. Disse bladfjærer er forbundne med hverandre ved hjelp av svingetapper som er montert på et mellomelement forbundet med verktøyhuset. En av bladfjærene ligger an mot veggen i borehullet mens den andre bladfjær på toppen av sin bue bærer en sko som er svingbart montert sentralt på fjæren. Yttersiden av denne sko har kontakt med den vegg som ligger overfor den hvorimot den førstnevnte fjær virker. En geofon fastgjøres til innersiden av skoen og er ved hjelp av en ledning forbundet med forsterkerutstyr inne i verktøyhuset.

Et verktøy av denne type gir en vesentlig forbedring ved ut-

i øvelse av den metode hvor geofoner plasseres på overflaten eller fordeles langs veggen i et borehull, men gir ingen fullstendig løsning på det problem som består i å oppnå en direkte kopling med veggen i borehullet.

i I virkeligheten foreligger det ingen direkte kontakt mellom geofonen og borehullveggen, fordi geofonen er montert på inn-

siden av skoen. Selv om skoen er perfekt stiv og spenningen i fjærene hindrer skoen i å gli langs borehullveggen under målingen, er det allikevel et faktum at de parasittbølger som forplanterseg i verktøyhuset og som er tilveiebragt av den utsendte energi, og som også forplanter seg i bladfjærene og skoen, mottas av geofonen. Dette skyldes at verktøyet, skoen,

og i noen mindre grad bladfjærene, er stive.

En videre ulempe er at ved en gitt måling vil geofonen bare være orientert i en retning, og den kan derfor bare detektere en bølgetype.

Nok en ulempe, sannsynligvis den alvorligste, er at bladfjæren som bærer geofonen, bare har en frihetsgrad, som bestemt av bueretningen til fjæren. Fjærens utførelse og de utøvede spenn-ingspåkjenninger tillater ingen fleksibilitet for fjæren i samtlige retninger. Som følge herav foreligger det ingen effektiv avkopling mellom verktøyets masse, geofonens masse og tilhør-ende skomasse. Verktøymassen har en betydelig verdi med hen-syn til geofonutstyrets masse og introduserer en parasittvirk-ning som øker med økende stivhet i forbindelsen mellom huset og geofonutstyret.

Det skal også nevnes at som følge av den stive forbindelse mellom verktøymassen og geofonmassen vil geofonen, hvis masse er lav i forhold til verktøyets masse, ikke vibrere på en utnyttbar måte på tidspunktet for mottagelser av høye frekvenser i transmisjonsspekteret. Disse høye frekvenser elimineres derfor, og det resultat som således fremkommer er det samme som om verktøyhuset og den relative fleksibilitet i borehull-veggene utgjorde et filter for disse høye frekvenser.

Foreliggende oppfinnelse vedrører målinger av den foran nevnte andre type og tar sikte på å tilveiebringe en tilfredsstillende løsning på det presenterte problem, slik at det blir mulig å overvinne de foran nevnte ulemper.

Oppfinnelsen vedrører således en måleinnretning for en séis-misk profil i en brønnboring og av den type som innbefatter en senderanordning plassert på overflaten for utsendelse av signaler med et frekvensspektrum innenfor området 5 til 500 Hz, et verktøyhus plassert i brønnboringen og forbundet med senderanordningen ved hjelp av en ledning, og minst en geofon som er montert på elastiske elementer som er forbundne med verktøy-huset. Geofonen mottar lydbølger som tilveiebringes av de utsendte signaler etter at disse har forplantet seg i de underjordiske strata som oppviser naturlig elastisitet i geofonnivået. Det er sørget for midler for opptagning og behandling av de elektriske signaler som leveres av geofonen i samsvar med de mottatte lydbølger. Forbindelsen mellom geofonen og disse midler på overflaten, går gjennom den nevnte ledning.

Det for oppfinnelsen vesentlige trekk er at de elastiske elementer dannes av midler som er fleksible i minst to retninger og er satt inn mellom geofonen og monteringsmidler som er forbundet med verktøyhuset, idet de elastiske elementer virker til å legge geofonen mot brønnboringens vegg under hver detektering av bølgene. Et videre vesentlig trekk er at elastisiteten i de fleksible midler er i det minste lik den laveste elastisitetsgrad i det underjordiske stratum som krysses av brønn-boringen. I samsvar med et annet vesentlig trekk er geofon-maasens resonansfrekvens med de fleksible midler ved et maksimum lik responansfrekvensen til geofonmassen med den laveste nevnte elastisitetsgrad.

Forbindelsen mellom geofonen og verktøyhuset ved hjelp av midler som er fleksible i to retninger muliggjør en nesten fullstendig avkobling av verktøyhusets masse fra geofonmassen og gjør det således mulig å eliminere praktisk talt alle parasittvirkninger som introduseres i målingene som følge av verktøyhusets masse. Den nevnte elastiske kopling medfører også at geofonen kan vibrere i vibrasjonshastighetsretningen til den bølge som mottas.

I samsvar med et annet vesentlig trekk innbefatter innretningen tre ortogonale geofoner for derved å sikre en like efektiv detektering av vibrasjonshastighetene som går i de tre romretninger.

I samsvar med oppfinnelsen holdes verktøyhuset mot veggen i borehullet rett overfor den vegg hvorimot geofonen legges,

under anvendelse av en leddlåsearm som også legges mot den vegg som geofonen legges mot.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 rent skjematisk viser en innretning ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et anvendt fjærsystem,

fig. 3 viser et oppriss av fjærsystemet i fig. 2, og fig. 4 viser et elastisk system oppbyggetmed en elastomer

blokk.

Den i fig. 1 viste måleinnretning er beregnet for nedsenking

i en brønnboring 1 hvis vegger er betegnet med 2, 3. Overflaten er betegnet med 4. Brønnboringen 1 går gjennom underjordiske strata. Disse er ikke vist på tegningen, men det dreier seg om strata eller lag som man ønsker å analysere.

En blokk 5 på overflaten 4 representerer en anordning for utsending av seismisk energi, og representerer også en anordning for styring og forflytting av et verktøyhus 6 i brønnboringen 1. Huset 6 henger i en kabel 7 i brønnboringen.

En arm 8 er montert på husets 6 øvre del og kan svinge om

en tapp 9.

Et geofonutstyr 10 er montert på enden av en stiv arm 11 som

er festet til huset 6. Forbindelsen mellom armen 11 og verk-tøyhuset er utført slik at man er sikret at geofonutstyret 10 kan legges mot veggen 2 på det tidspunkt vibrasjonshastighetene skal måles, samtidig som utførelsen er slik at utstyret kan bevege seg vekk fra veggen 2 når verktøyhuset 6 skal for-skyves i brønnhullet og bringes i en annen posisjon.

I den i fig. 2 og 3 viste utførelse utgjøres geofonutstyret 10 av et hus 12 hvori det er montert minst tre fjærer 13 til 15. Disse fjærer er forbundet med en geofon 16 og muliggjør således en vibrasjon av denne i samtlige forplantningsretninger for de vibrasjonshastigheter som en sender 5 tilveiebringer.

I fig. 2 er geofonen 16 plassert sentralt i huset 12 og trykkes mot veggen 2 ved hjelp av fjæren 15, mens fjærene 13 og 14 muliggjør en vibrasjon av geofonen 12 i rett vinkel på fjæren 15.

I den i fig. 4 viste utførelsesform er fjærene 13 til 15 byttet ut med en elastomer blokk 17 plassert i huset 12. I denne utfør-elsen ligger geofonen 16 delvis inne i blokken 17 og har således en fri flate som kan legges mot borehullveggen 2.

En positiv låsing av verktøyhuset 6 mot veggene 2 og 3 i borehullet 1 gjør det mulig å frigjøre kabelen 7 og således av-kople verktøyhuset 6 i forhold til anordningn 5.

Når samtlige måleanordninger er på plass i borehullet eksi-teres anordningen 5 for utsending av et signal ned i jorden og således rundt borehullet. Frekvensen til dette signal ligger i området 5 til 300 Hz. Dette elektriske signal tilveiebringer bølger som forplanter seg i formasjonsstrata rundt borehullet 1. Hver bølgetype som tilveiebringes og når geofonutstyret 10, mottas av dette i form av en vibrasjonshastighet. Vibrasjonen til geofonen eller geofonene 16 i hver retning overføres til overflaten gjennom ledningen, opptegnes og behandles med egnede midler.

For at hver geofon skal kunne vibrere tilfredsstillende i retningen til den detekterte vibrasjonshastighet må geofonen være mekanisk avkoplet fra verktøyhuset 6. Imidlertid vil borehullveggens 2 naturlige elastisitet S introdusere en elastisk forbindelse med geofonen eller geofonene 16. Fordi elastisiteten S til de elastiske midler 13 til 15 eller 17 virker på geofonene vil man således ha et elastisk system som er i likevekt. Dette system dannes av verktøyhuset og av til-hørende armer 8 og 11, med en total masse M, av geofonutstyret som har en masse m, av de elastiske midler 13, 15 eller 17, plassert mellom huset 6 og geofonen, og av den førnevnte elastisitet s. For å oppnå en god avkopling er det således nød-vendig å fastlegge en elastisitet S som må øke når forholdet mellom massen M og massen m øker. Beregninger viser at når S

= s vil vibrasjonshastigheten i geofonutstyret bare være halv-parten av den som finnes i den omgivende grunn. I dette tilfelle er det derfor nødvendig å sikre seg at resonansfrekvensen til massen m med elastisiteten S er lik resonansfrekvensen til massen m med elastisiteten s.

Settes resonasfrekvensen F lik 100 Hz så kan belastnings-bøyningen til de elastiske midler 13 til 15 beregnes med form-elen p = F^7T2 som bare adskiller seg meget lite fra uttrykket Når således F er lik 100 Hz får man p = j^Jq^ = °'025 mm.

Elastiske midler med en slik ettergivenhet kan lett tilformes av stål eller av et elastisk materiale såsom neopren.

Man vil forstå at det er mulig å ha andre forhold mellom S og s og andre resonansfrekvenser, under forutsetning av at frek-vensene velges innenfor det frekvensspekter som emmiteres av senderanordningen, altså innenfor området 5 til 3000 Hz.

For å sikre at hastigheten i geofonen ligger så nært som mulig opptil hastigheten i den omgivende grunn og omtrent er lik 9/10 av denne, kan man velge verdien S = 9 s. Med en masse m lik 0,1 kg vil det være nødvendig å benytte elastiske midler med en fleksibilitet som er lik 0,225 mm/N for S = 9 s.

Claims (6)

1. Måleinnretning for en seismisk profil i en brønnboring, av den type som innbefatter en senderanordning plassert på overflaten og istand til å levere signaler med et frekvensspekter i området 5 til 500 Hz, et verktøyhus plassert i brønn-boringen og forbundet med senderanordningen ved hjelp av en ledning, minst en geofon montert på elastiske elementer som er forbundet med verktøyhuset, hvilken geofons funksjon er å detektere lydbølger som tilveiebringes av de nevnte signaler etter at de har forplantet seg gjennom underjordiske strata som oppviser naturlig elastisitet i geofonnivået, og en anordning for opptegning og behandling av de elektriske signaler fra geofonen i samsvar med de der mottatte lydbølger, idet forbindelsen mellom geofonen og opptagelses- og behandlingsan-ordningen på overflaten skjer gjenDom den nevnte ledning, karakterisert ved at de elastiske elementer utgjøres av midler som er fleksible i minst to retninger og er anordnet mellom geofonen og en monteringsanordning som er forbundet med verktøyhuset, hvilke midler er beregnet til å trykke geofonen mot veggen i brønnboringen under hver detektering av bølgene, at elastisiteten til de fleksible midler er i det minste lik den laveste elastisitetsgrad for det underjordiske stratum som krysses av brønnboringen, og at resonansfrekvensen til geofonmassen med de fleksible midler ved et maksimum er lik resonansfrekvensen til geofonmassen med den laveste nevnte elastisitetsgrad.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at de fleksible midler utgjøres av fjærer som er fleksible i de tre retninger.

3. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at innretningen innbefatter tre geofoner som er montert i rett vinkel i forhold til hverandre for derved å muliggjøre en detektering av bølger som forplanter seg i geofonretningene.

4. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at verktøyhuset er plassert eksentrisk i forhold til brønnboringens vertikale akse og innbefatter en tilbaketrekk-bar arm hvis ene ende er svingbart festet til verktøyhuset mens den andre armenden ligger an mot brønnboreveggen som geofonen eller geofonene har kontakt med, idet en side av verktøy-huset ligger an mot den andre veggen i brønnboringen.

5. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at resonansfrekvensen ligger innenfor grensene for sendefrekvensspekteret.

6. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at de fleksible midler dannes av et hus som er forbundet med verktøyhuset ved hjelp av en stiv arm, i hvilket hus det er montert tre fjærer anordnet i rett vinkel i forhold til hverandre.