NO167774B - Fremgangsmaate for akustisk broennlogging. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for akustisk brønn-logging, bestående av å traversere et borehull med et brønnloggingsverktøy som innbefatter en akustisk sender av bøyetypen som har ubegrenset piezo-elektriske plane overflater orientert parallelt med verktøyets langsgående akse og som er frilagt mot en koplingsvaeske.

Det har lenge vært kjent akustisk å logge åpne brønnhull for å bestemme hastighetene av kompresjons ("P") bølgene og skjær ("S") bølgene som beveger seg gjennom bergartformasjoner som befinner seg i brønnhullregionen. Loggingsanordninger er blitt anvendt for dette formål som normalt omfatter en lydkilde (sender) og en eller flere mottakere som er anbragt ved forutvalgte avstander fra lydkilden.

Ved å tidsbestemme bevegelsen av kompresjonsbølgene, skjær-bølgene og/eller rørbølger mellom senderen og hver mottaker, er det normalt mulig å bestemme naturen av omgivende bergartformasjoner. Ved logging av løst konsoliderte formasjoner er det imidlertid ofte vanskelig å skille mellom kompresjon, skjær, rør og sekundærbølger som kan omfatte deler av et bølgetog som ankommer til en gitt mottaker. Bruken av fjernt adskilte, tallrike mottakere er derfor blitt foreslått for å hjelpe til med å skille mellom ankomne bølgefronter og fra støy i systemet. Flere mottakere tillater gjenkjennelsen av like bølgemønstre og bølgepunkter som mottas ved hver suksessive mottaker. Ettersom bevegelsestiddifferanser øker med økende distanse fra senderkilden, vil bølgefronter og mønstre som er tett adskilt ved nære mottakersteder separeres med tiden for deres mottakelse ved fjerntliggende mottakersteder .

Forskjellige signaltidsbestemmelse og bølgefrontanalyse-metoder er også blitt foreslått for å skille mellom bølge-fronter mottatt ved en gitt mottaker. De fleste av disse metoder involverer tidsbestemmelseskretser som antisiperer mottakelsen av, og muliggjør oppsamlingen av slik bølgefront-informasjon. For beskrivelse av forskjellige loggings-teknikker for oppsamling og analysering av kompresjonsbølge, skjærbølge, rørbølge og sekundærbølgedata, skal det vises til US-patentene 3.333.238, 3.362.011, U.S. Reissue^patent nr. 25.446, og US-patent 4.383.308.

Ved konstruering av loggingsverktøy, er forskjellige typer av sendere, slik som piezoelektriske eller magnetostriktive sendere blitt foreslått for å skape akustiske logglngs-slgnaler. For konvensjonelle logglngsoperasJoner, er de fleste av slike sendere blitt plassert sentralt i borehullet og er blitt tilpasset til å generere lys som utstråles i et multiretnlngsmessig (360°) mønster fra senderen til hosliggende brønnhulloverflater. Slike sendere er velegnet for å skape kompresjonsbølger i omgivende bergart og sandforma-sjoner.

Ettersom kompresjonsbølger beveger seg hurtigere enn skjær-, rør- eller sekundærbølger som også kan frembringes av en f lerretningsmessig sender, skjer beregningen av kompre-sjonsbølgehastighet ved å anta at den første ankomne bølgefronten eller bølgemønsteret er den for en kompre-sjonsbølge. I løst konsoliderte fbrmasjoner, er påfølgende ankomster av skjaerbølger, rørbølger og/eller sekundærbølger vanskelige å skille mellom. I slike formasjoner har fler-retnlngsmesslge sendere tendens til å generere kompre-sjonsbølger med langt større amplituder enn eventuelle skjaerbølger som også frembringes derved. Gjenkjennelse av skjæbølgeankomster er således særlig vanskelig.

Nylig er oppmerksomhet blitt rettet mot å utvikle sendere som er særlig egnet for skjærbølgelogging. Slike sendere forsøker generelt å oppnå en enkeltpunkt kraft-anbringelse av lydenergi på borehullveggen. Teorien bak punktkraftsenderne er at de er i stand til direkte å generere S-bølger. Konvensjonelle multlretnlngsmesslge sendere sies å være i stand til kun indirekte å skape skjaerbølger. Følgelig frembringer sendere av punktkraft typen skjaerbølger med vesentlig høyere amplituder enn det som hittil har vært mulig med konvensjonelle multi-retningsmessige P-bølgesendere. Følgelig kan formasjoner, slik som løst konsolidert eller ikke-konsolidert sand, som ikke forplanter skjaerbølger i tilstrekkelig amplituder til å tillate definitiv detektering under anvendelse av konvensjonelle pre-bølgemottakere, nå bli skjaerbølgelogget med disse S-bølgelogglngssystemer. Et slik skjaerbølgeloggingssystem er omhandlet i Kanadisk patentnr. 1.152.201.

Den foreliggende oppfinnelse baserer seg på en fremgangsmåte for akustisk brønnlogging, å eksitere nevnte sender med et flertall av sinusbølge tonestøt av fast frekvens fra en generator som driver nevnte sender til å svinge og derved generere respektive akustiske bølger som hver har en dominant vlbrasjonsmodus, idet den faste frekvensen for nevnte tonestøt fra nevnte generator multiplekses gjennom et flertall av frekvensområder for derved å eksitere nevnte sender til sekvensmesslg å generere akustiske bølger som har avvikende dominante akustiske vibrasjonsmodi.

Fortrinnsvis er hvert individuelle tonestøt fra generatoren en sinusbølgedrivstrøm som ikke er mer enn fem sykluser, for å unngå overhøringsinterferens mellom de forskjellige loggingskablene hos loggingsverktøyet. Når den faste frekvensen for slikt sinusbølgetonestøt er under ca. 1,5 KHz, genererer senderen dominante akustiske rørbølger. Med den faste frekvensen mellom ca. 1,0 KHz og 5 KHz, og med senderen av bølge-typen virkende som en dipolutstråler, blir dominante akuslske skjaerbølger generert. Når den faste frekvensen er større enn ca. 1,5 KHz, genererer senderen dominante akustiske kompresjonsbølger. Ved multipleksing av disse avvikende faste frekvenstonestøt, kan sekvensmesslg genererte akustiske bølger ha avvikende dominante akustiske modi, slik som dominante kompresjonsbølger, dominante skjaerbølger og dominante rørbølger.

Oppfinnelsen skal nå nærmere beskrives med henvisning til de vedlagte tegninger. Fig. 1 og 7 er skjematiske fremstillinger av et akustisk borehull-logglngssystem ifølge et eksempel av foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 og 3 illustrerer henholdsvis utformningen og virk-ningen hos senderseksjonen 1 det akustiske borehull-loggingssystemet i fig. 1. Fig. 4 er en skjematisk fremstilling av bruken av senderseksjonen i fig. 1 for generering av kompresjons og rørbølger. Fig. 5 og 6 er skjematiske illustrasjoner av bruken av senderseksjonen i fig. 1 for generering av skjaerbølger.

Idet der nå vises til fig. 1, innbefatter systemet et lang-strakt logglngsverktøy som er opphengt fra en kabel 11 innenfor et borehull 12 som traverserer en underjordisk formasjon som er av interesse, angitt med henvisningstallet 14. Formasjonen 14 kan være en forventet olje- eller gassbærende formasjon som skal kjennetegnes hva angår dens porøsitet, fluidumsmetning, eller en slik annen informasjon som kan være ønskelig. Brønnen 12 fylles med en væske, slik som boreslam angitt med henvisningstallet 16. Loggings-verktøyet 10 omfatter en akustisk sender 17 og akustiske mottakere 19 og 20. Senderen 17 og fortrinnsvis også mottakerne 19 og 20, har form av transdusere av bøye-typen, som beskrevet i nærmere detalj i det etterfølgende.

Signaler fra loggingsverktøyet 10 sendes opp langs hullet ved hjelp av lederne i kabelen 11 til ett hvilket som helst passende brukssystem på overflaten. Eksempelvis er bruks-systemet vist å omfatte en opphulls-analyse- og styrekrets 22 og registrator 24 slik at utmatningen fra kretsen 22 kan korreleres med dybde.

Senderen 17 og mottakerene 19, 20 styres ved hjelp av passende tidsstyringskretser som er plassert enten opphulls eller i selve loggingsverktøyet. Typisk vil styrekretsen omfatte en tidsbasegenerator som opererer til å frembringe pulser til å eksitere senderen 17 og som styrer mottakerne 19 og 20. Mottakerne 19 og 20 kan styres vekselvis for å hindre kryssmatning innenfor kabelen 11, slik det lett vil forstås av fagfolk. Eksempelvis kan mottakeren 19 styres på under et intervall av fra 0,5 til 30 millisekunder etter en første akustisk puls fra senderen 17. Mottakeren 19 styres så av, og etter den neste påfølgende puls fra senderen 17, blir mottakeren 20 styrt på. Eksempelvis kan mottakeren 20 styres på under et lignende intervall fra 0,5 til 30 millisekunder etter senderens utgangspuls. Loggingsverktøyet kan beveges gjennom brønnen med en hvilken som helst passende takt mens det opereres til å generere og motta akustiske pulser. Typisk vil verktøyet bli senket til bunnen av intervallet som skal logges og så trekkes oppad under logglngsmållngene med en hastighet av minst 6,1 m pr. min. Noe større loggings-hastigheter, f.eks. 18,3 m pr. min. kan normalt anvendes.

På overflaten opererer opphulls-kretsen på signalene fra mottakerne 19 og 20 til å frembringe signaler som er re-presentative for bevegelsestiden mellom mottakerne 19 og 20 og differansen 1 amplitude mellom de akustiske signaler detektert av mottakerne 19 og 20. Kretsen som anvendes for å bestemme tidsintervallet mellom det akustiske signalets ankomst på mottakerne 19 og 20 kan være av en hvilken som helst passende type. Eksempelvis kan pulsene som anvendes til å trigge senderen også tilføres en rampefunksjongenerator til å initiere et signal som øker monotont med tiden. Eksempelvis kan rampefunksjongeneratoren reagere på en trlgglngspuls til å generere en spenning som øker lineær med tid. Således er amplituden av spenningen direkte propor-sjonal med tiden som følger genereringen av det akustiske signalet ved hjelp av senderen 17. Utmatningen fra rampe-funksjonsgeneratoren tilføres gjennom porter som styres utmatnlngene fra mottakere 19 og 20 til respektive spennings-lagringsmldler. Når således et akustisk signal mottas på mottakeren, blir den resulterende transduserspennlng tilført for å åpne en port til å føre spenningen fra rampefunksjongeneratoren til et første lagrlngsmlddel. Når det neste signalet mottas av mottakeren 20, anvendes transduserslgnalet til å åpne en annen port til å føre utmatningen fra rampe-funksjonsgeneratoren til et andre lagrlngsmlddel. De to spenningssignalene blir så tilført en differansekrets, hvis utmatning registreres i korrelasjon med dybde til å gi en bevegelsestidlogging. Amplitudeparameteren kan likeledes bestemmes ved bruken av en hvilken som helst passende krets. Eksempelvis kan toppspenningsutmatningene fra mottakerne 19 og 20 anvendes på en differansekrets som frembringer en spenning som er representativ for differansen 1 maksimums-amplitudene for de akustiske signaler som mottas av mottakerne 19 og 20. Utmatningen fra denne differansekrets blir så registrert for å gl en logging over dempning innenfor formasjonen. Slike analyser og styrekretser er velkjente for fagfolk, og for en nærmere beskrivelse av slike skal det vises til US-patent nr. 3.191.145. Selv om to mottakere er vist, skal det også forstås at loggingsverktøyet kan utstyres med kun en mottaker, i hvilket tilfelle en målt parameter kan være bevegelsestiden mellom senderen 17 og mottakeren. Fortrinnsvis vil imidlertid to mottakere, som vist, bli anvendt for å unngå forvrengning av de målte verdier på grunn av borehulleffekter, slik som endringer i borehullets diameter. Typisk er den første mottakeren 19 adskilt 1,5 til 4,6 m fra senderen med en avstand mellom hosliggende mottakere 19 og 20 lik 0,6 til 1,5 m.

Som tidligere bemerket frembringes akustiske pulser, ifølge oppfinnelsen, ved hjelp av en transduser av bøyetypen. Transdusere av bøyetypen er i seg selv velkjente og har den form som er beskrevet av Sne r i dan, C. A. et al., 1 "Bender Bar Transducers For Low-Frequency Underwater Sound Sources", gitt på "the 97th Meetlng of the Acoustlcal Society of America", Cambridge, Massachusetts, USA, 15. Juni 1979. En slik transduser var tilgjengelig kommersielt fra Honeywell Defense Electronics Division, Seattle, Washington, USA, 20. august 1979, som modell HT-29-L og HX-8B. Ser man nå på fig. 2, er der vist et forstørret riss av en transduser av bøyetypen som anvendes som senderen 17 i fig. 1. En slik transduser består av et par piezoelektriske bøyestaver 31 og 32 som har uhindrete plane overflater som er orientert parallelt med transduserens langsgående akse og frilagt overfor en koplingsvæske som fyller transduseren. Hver stav 31, 32 består av en mosaikk-konfigurasjon av Individuelle staver, henholdsvis 33, 34. De to stavene 31 og 32 er montert mellom felles støtteorganer 35 og 36. Denne konstruksjonstype tillater at bøyestavene kan drives på et flertall av frekvenser til å gi en sinusbølgeutmatning av god kvalitet sammenlignet med de større bøyetransdusere av platetypen.

Bøyningsprinslppene for transduseren av bøyetypen er vist i detalj i fig. 3. Bøyevirkningen for stavene 31 og 32 oppstår p.g.a. polariseringsretningen for hver individuelle stav 33 og 34 med hensyn til hosliggende staver 33 og 34 som angitt med piler. I en første modus, som vist skjematisk i fig. 4, bøyer to piezoelektriske elementer seg utad og innad sammen til å gi en kompresjons- og/eller rørbølge i brønnhullet. I den andre modusen blir kun et piezoelektrisk element bøyet, som vist i fig. 5, eller i alternativet blir begge piezo-elektriske elementer bøyet i den samme retning, som vist i fig. 6, til å frembringe en skjærbølge i borehullet. En slik sender av bøyetypen er konstruert til å ha et antall av karakteristiske resonansfrekvenser mellom noen få hundre Hz og flere kHz, slik som fra 100 Hz til 50 kHz. Som reaksjon på påføringen av et enkelt polarisert elektrisk felt, vil senderen svinge på en enkelt av slike karakteristiske resonansfrekvenser.

Det er bestemt trekk ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for å drive en slik sender av bøye-typen slik at en flerbruks akustisk logging av variabel frekvens kan frembringes under en enkel traversering av loggingsverktøyet gjennomm borehullet i stedet for å måtte foreta en separat loggings-traversering for hver ønskete akustiske frekvens. Ved å utføre en slik fremgangsmåte drives senderen av bøye-typen ved hjelp av et sinusbølge tonestøt i stedet for den konvensjonelle enkelt-impuls. Dette tonestøt er en sinusbølge drivende strøm av fast frekvens med en varighet av en eller flere sykluser. Dette tonestøt gjentas med en passende repetisjonstakt ettersom loggingsverktøyet traverserer borehullet. Kommersielle anordninger er tilgjengelig for generering av tonestøtene, slik som en modell 7060 generator, som leveres av Exact Electronics, Hillsboro, Oregon, USA med en modell MC 2500 Power Ampiifler, som leveres av Mclntosh Laboratory, Binghamton, New York, USA. Amplitudene er i området av 100-150 volt RMS. Denne spenning er tilstrekkelig til å generere akustiske kildenivåer fra senderen som vil gi detekterbar akustiske signaler I konvensjonelle mottakere av bøyetypen som har lang avstand, i borehull-loggingsverktøy.

Et for langt tonestøt vil skape overhøringsproblemer mellom de forskjellige loggingskablene som fører til senderen og mottakerne. For å unngå en slik interferens under loggings-operasjonene må overhøringen opphøre før det tidligste signalet ankommer til den nærmeste mottakeren. Varigheten av tonestøtet pr. syklus øker med avtagende frekvens. Imidlertid vil amplituden av overhøringssignalet avta vesentlig ettersom frekvensen minsker. Under borehulloperasjons-betingelser begynner den hurtigeste akustiske bølgeenergien fra senderen å ankomme til mottakerne etter så lite som 3 millisekunder etter initiering av senderkildevibrasjoner. For å unngå overhøringsinterferens ved frekvens over 1 kHz, bør derfor tonestøtvarigheten ikke overskride fem sykluser, og fortrinnsvis være 1 størrelsesorden tre sykluser. For å være effektive under disse forhold, bør senderen ha en Q som ikke er større enn 10.

Ifølge oppfinnelsen vil frekvensen for tonestøtet eller drivfrekvensen til senderen kunne styres. Det blitt funnet at vibrasjonsmodusen som genereres i borehullet styres av senderfrekvensen. Den dominante vibrasjonsmodus som ble observrt i en akustisk loggingsoperasjon som anvender en Honeywell HX8-B transduser av bøyetypen, energisert som vist i fig. 4, og med en enkelt mottaker plassert 4,57 meter fra senderen var en rørbølge under ca. 1,5 kHz, en kompre-sjonsbølge over ca. 1,5 kHz, og både en rørbølge og en kompresjonsbølge over ca. 10 kHz. Genereringen av rørbølger på frekvenser over 10 Khz skyldes nærværet av lavfrekvens-komponenter i senderresponsen som eksiterer rørbølgene. Dette er nærmere vist i den etterfølgende tabell:

Man kan se fra tabellen at rørbølgef rekvensen er ca. lik drivfrekvensen for senderen under ca. 1,5 kHz. Kompresjons-bølgefrekvensen forblir nærmest konstant på en karakteristisk frekvens, eller en viss harmonisk, slik som 3,3 til 3,5 kHz vist i eksemplet i ovenstående tabell, for samtlige driv-frekvenser fra 3,6 kHz til 30 kHz.

Ved energisering av senderen som vist i fig. 5 eller 6, vil en skjærbølge bli dominant i området av ca. 1 kHz til 5 kHz.

Evnen til å generere en enkelt vibrasjonsmodus (dvs. kompresjons, skjær eller rør) til utelukkelsen av de andre to, har praktiske fordeler ved akustisk brønnlogging. Det eliminerer interferensen mellom de tre modi og gir rene akustiske signaler med stor amplitude. Logginger oppnådd fra en slik enkelt vibrasjonsmodus gir bedre estimater over kompresjons, skjær og rørbølgehastigheter og amplituder. Dette forbedrer evnen hos geofysiskere og andre til å estimere gjennom-trengligheten og porøsiteten, til å definere litologien, og til å detektere naturlige brudd-dannedé intervaller.

Ved nok et ytterligere aspekt ved oppfinnelsen, kan samtlige tre akustiske bølgemodi registreres under en enkelt-loggingstraversering av et borehull ved bruk av loggingssystemet i fig. 7, som omfatter tonestøtgeneratorene 60-62, multiplekseren 63, og senderen 17. Dette oppnås ved å multiplekse, med riktig tidsstyring, tonestøtene fra hver av de tre valgte frekvensområdene for sekvensmesslg å drive transduseren av bøyetypen av hver av de tre modi.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved akustisk brønnlogglng, bestående av å traversere et borehull (12) med et brønnloggingsverktøy (10) som innbefatter en akustisk sender (17) av bøyetypen som har ubegrenset piezo-elektriske plane overflater orientert parallelt med verktøyets langsgående akse og som er frilagt mot en koplingsvæske, karakterisert ved å eksitere nevnte sender med et flertall av sinusbølge tonestøt av fast frekvens fra en generator som driver nevnte sender til å svinge og derved generere respektive akustiske bølger som hver har en dominant vibrasjonsmodus, idet den faste frekvensen for nevnte tonestøt fra nevnte generator multiplekses gjennom et flertall av frekvensområder for derved å eksitere nevnte sender til sekvensmesslg å generere akustiske bølger som har avvikende dominante akustiske vibrasjonsmodi.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at hvert individuelle tonestøt fra nevnte generator er en sinusbølge drivstrøm av høyst fem sykluser.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at den faste frekvensen for nevnte tonestøt multiplekses gjennom minst en frekvens under 1,5 kHz og minst en frekvens over 1,5 kHz.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte sender har dominante kompresjons-bølger, dominante skjaerbølger, og dominante rørbølger slik at en enkel logging av samtlige tre av nevnte kompresjons-, skjær- og rørbølger registreres under en enkelt traversering av et borehull.