NO172359B - Fremgangsmaate og apparat for bestemmelse av egenskaper hos materiale bak foringsroer i broennhull - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å bestemme materialegenskaper i borehull, og spesielt en fremgangsmåte for å bestemme forekomsten av og egenskaper til materialet bak eller på utsiden av foringsrør ved hjelp av akustiske målinger.

I mange år har akustisk logging blitt brukt i forede brønner med det formål å bestemme kvaliteten av foringens sementering. Prinsippet bestod i å tolke amplityden av et akustisk signal mottatt i en viss avstand fra en sender i borehullsfluidet. Forbedringer av denne teknikken innbefattet bruk av en gruppe transdusere og dermed utledning av dempningshastigheten til signalet langs en definert lengde av foringen. Denne dempningshastigheten er hovedsakelig en funksjon av de mekaniske egenskapene til sementen som er bundet til foringen over vedkommende lengde.

Foreliggende oppfinnelse er en forbedring av den tidligere kjente akustisk logging, idet oppfinnelsen vedrører to hovedny-heter angående følgende: 1. Amplityden av det mottatte akustiske signal blir adskilt i to komponenter: I) en del som skyldes koblingen av den akustiske energi mellom bølgen i borehullsfluidet og den bølge som forplanter seg aksialt langs foringen, og II) en del som skyldes dempningen av den bølge som forplanter seg langs foringen. 2. Den del som som skyldes kobling er ikke bare en funksjon av foringen og av borehullsfluidet, men er også nyttig når det gjelder å bestemme mekaniske egenskaper ved materialer utenfor foringen uavhengig av dets binding til foringen. Fra disse egenskaper kan små og store ringformede rom skjelnes fra et fritt rør eller et rør med god binding.

Den "foringsbølge 11 som måles ved kjent akustisk logging av sementbindingen er en trykkbølge som tilbakestråles inn i borehullsfluidet og til en der anbrakt akustisk mottagertransduser på brønnloggeinstrumentet ved hjelp av en elastisk bølge som passerer aksialt langs stålforingen. Denne elastiske bølgen forplanter seg som en Lamb-modus i den tynne stålsylinderen. Den blir selv vanligvis eksitert i foringen av en trykkbølge som stammer fra en akustisk sendertransduser i brønnloggeinstrumentet. Tidligere praksis har vært å måle enten amplityden av foringsbølgen, eller å bestemme dens rommessige dempningshastighet ved å ta amplitydemålinger ved forskjellige avstander mellom sender og mottager. Sementbindingslogger har tradisjonelt blitt tilveiebrakt ved å måle amplityden av den første signifikante akustiske ankomst, vanligvis referert til som "El"-toppen av den transiente foringsbølge. Denne og andre bølgefronter blir avfølt ved hjelp av en mottagertransduser som er adskilt fra en akustisk pulssender med en forut bestemt avstand, slik som 3,0 fot, langs foringens akse. I visse måleteknikker blir andre topper enn El og/eller avstander andre enn 3,0 fot valgt. I visse presentasjoner av bindingsloggdata blir i tillegg amplityde-reduksjoner i forhold til den amplityde som måles ved en enkelt mottager i den "frie" foringstilstand, med vann bak foringen, omdannet til en måling av pseudo-dempningshastighet.

En fordel med den foreliggende oppfinnelse er den er-kjennelse at amplitydereduksjonen mellom sender og mottager ikke bare avhenger av dempningstap som skyldes aksial forplantning langs foringen, men også av effektiviteten av akustisk kobling inn i og ut av foringsbølgen. For et målesystem med en enkelt avstand, for eksempel en sender og en mottager, er det ikke mulig å adskille effektivt disse uavhengige bidrag til amplitydesvekkingen. Amplitydereduksjon fra alle kilder har ofte feilaktig blitt behandlet sammen og antatt å skyldes forplantning langs foringen. Når ytterligere faktorer som regulerer amplityden av foringsbølgen er blitt erkjent, har de ikke innbefattet de mekaniske egenskaper av materiale på utsiden av og tilstøtende foringen. Egenskaper ved materialene utenfor foringen har heller blitt antatt å regulere bare størrelsen av forplantningens

dempningshastighet, også kalt dempningskoeffisienten.

I den senere tid er det blitt presentert sementbindings-anordninger med flere mottagere som er i stand til å måle spisshøydene eller topphøydene av foringsbølger ved mer enn en enkelt avstand mellom sender og mottager. En slik anordning er The Cement Bond Tool (CBT) som fremstilles av søkeren. Data fra flere avstander tilveiebringer en mer fullstendig beskrivelse av foringsbølgens amplitydesvekkelse som funksjon av avstand, og tilveiebringer nødvendig informasjon til å bestemme selve den rommessige dempningshastighet. I EP patentsøknad nr. 98 778, basert på US patentsøknad nr. 394 395 inngitt 1. juli 1982, er det beskrevet en anordning til å beregne den rommessige dempningshastighet sammen med et egnet apparat hvor faktorer som påvirker akustiske amplitydetopper, bortsett fra dempningshastigheten, blir kansellert. Ved hjelp av denne anordningen blir en kompensert måling av dempningshastigheten foretatt som er uavhengig av forskjeller eller forandringer i sendereffektene og mottagerfølsomhetene, og som også er forholdsvis uavhengig av miljøfaktorer slik som egenskaper ved borehullsfluidet.

Måleteknikker som bruker flere avstander er således i stand til både å bestemme virkelige dempningshastigheter og skjelne dem fra andre variasjoner av amplityden, som ikke er tilknyttet aksial forplantning langs foringen. Imidlertid er det hittil ikke foretatt noe vellykket forsøk på å utnytte disse egenskapene og gjøre bruk av den del av amplityde-variasjonen som ikke direkte skyldes dempning langs foringen. Faktorer som vil påvirke den absolutte amplityde av det mottatte foringsbølgesignal, er blitt rapportert og innbefatter bare "miljøfaktorer" slik som egenskaper ved borehullsfluidet, og temperaturen eller trykket som er karakteristiske for måleapparatet, ikke egenskaper ved materiale utenfor foringen.

En spesielt viktig mangel ved tidligere loggesystemer for sementvurdering som benytter og beror bare på målingen av dempningshastigheten, er at denne målingen blir sterkt påvirket av de mikroringrom som ofte opptrer mellom foring og den faste sementsøyle etter at sementen har herdnet eller størknet. Disse mikroseparasjonene kan inntreffe enten inne i selve sementhylsen eller ved grenseflaten mellom sementsøylen og stålforingen eller formasjonen. De kan være et resultat av flere faktorer, innbefattet utvidelse og/eller sammentrekning av foringen på grunn av enten temperatur eller trykkperioder eller endringer i borehullsfluidet eller sjokk og viberasjon som inntreffer under fullf©ringsprosessen av en brønn, eller krympning av selve sementen. Ofte er disse mikroseparasjonene små nok til at permeabiliteten av ringrommet ikke modifiseres i betydelig grad, og den hydrauliske tetning som tilveie-bringes av sementsøylen blir ikke svekket. Mikroringrom reduserer imidlertid i alvorlig grad den akustiske dempningshastighet som måles av anordninger som bestemmer dempningshastigheten, og de forårsaker at den mottatte amplityde øker for anordninger som måler bare toppamplityden. Disse målingene er derfor ikke pålitelige målinger for bruk ved vurdering av den hydrauliske tetning.

Ved praktisering av den foreliggende oppfinnelse blir amplitydeforandring mellom sender og mottager separert i en forandring som er avhengig av kobling inn i og ut av forings-bølgen, samt en forandring som står i forbindelse med dempningen langs foringen. Kobling er derfor en viktig amplityderegulerende mekanisme som avhenger av egenskapene til materialet utenfor foringen, men på funksjonelt andre måter enn dempningen. Spesielt er det blitt funnet at den mekaniske binding mellom foringen og sementkappen ikke er en dominerende faktor i koblingen.

Koblingsgraden viser seg i tillegg å bli bestemt hovedsakelig av kompresjonsimpedansen til det materialet som ligger bak foringen og i mindre grad av materialets Poisson-forhold. Dempningshastigheten blir på den annen side regulert hovedsakelig av skjærbølge-hastigheten til det materiale som er bundet til foringen og dermed er følsomt for Poisson-forholdet samt størrelsen av kompresjonsimpedansen. Som en annen funksjonsmessig differanse blir koblingen regulert av fordelingen av fast materiale i det ringformede rom, d.v.s. prosentandelen av det areale av foringsoverflaten som på baksiden er dekket med sement innenfor undersøkelsesområdet til koblingsmålingen, mens dempning blir regulert av prosentandelen av overflateareal som er bundet til sementen. De signaler som svarer til kobling og dempningshastighet reagerer dermed forskjellig på mekaniske egenskaper og geometriske konfigurasjoner av materialet bak foringen. Måling av både kobling og dempning muliggjør bestemmelse av nærværet av mikroringrom og vurdering av midlere mekaniske egenskaper av materialet bak foringen ved hver dybde.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en ny fremgangsmåte for å bestemme forekomsten av materialet bak foringen i et borehull.

Et annet formål er å tilveiebringe en fremgangsmåte for akustisk å bestemme egenskaper ved materialer utenfor en slik foring.

Et ytterligere formål er å tilveiebringe en måling av sementkvaliteten ved forekomst av mikroringrom.

Nok et ytterligere formål er å tilveiebringe en fremgangsmåte for å bestemme eksistensen av og bredden av mikroringrom-gap mellom foring og sement.

Andre og ytterligere formål vil bli forklart i det følgende og spesielt angitt i de vedføyde krav, som definerer foreliggende oppfinnelse nøyaktig.

Som en oppsummering angår oppfinnelsen imidlertid en fremgangsmåte til å bestemme egenskaper ved materialet bak et foringsrør i et brønnhull, ved å sende akustiske signaler inn i et brønnhull, motta minst to av de akustiske signaler i brønnhullet, idet hvert av signalene svarer til forskjellige sender/mottager-avstander, kombinere de akustiske signaler for å frembringe et kompensert dempnings-hastighetssignal og et koblings-dempningssignal, samt å bestemme egenskapene til materialet bak foringen fra målinger av dempnings- og koblings-signalene.

Foretrukne detaljer blir nærmere beskrevet i det følgende.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 er en skjematisk representasjon av et akustisk logge apparat som er nyttig for utførelse av oppfinnelsen. Fig. 2 viser et typisk sett med bølgeformer som kan være oppnådd ved hjelp av et annet nyttig akustisk loggeapparat med seksten sender/mottager-avstander. Fig. 3 viser deler av to mottatte akustiske bølgeformer som kan brukes til å bestemme amplityden av foringsbølge-signalet. Fig. 4 viser en relasjon mellom foringsbølge-amplityde og sender/mottager-avstand for tre forskjellige tilstander . Fig. 5 viser en relasjon mellom koblingsreduksjon og kompresjonsimpedansen til et ytre materiale for en spesiell foring. Fig. 6 viser en relasjon mellom koblingsreduksjon og kompresjonsimpedansen til ytre materiale for tre foringer med forskjellige kombinasjoner av ytre diameter og veggtykkelse. Fig. 7 viser en relasjon mellom koblingsreduksjon og foringsveggtykkelse for en foring med en spesiell ytre diameter, for ytre materialer med forskjellige kompresjonsimpedanser. Fig. 8 viser i likhet med figur 7 forholdet mellom koblingsreduksjon og kompresjonsimpedansen til ytre materialer for en foring med en spesiell ytre diameter ved flere forskjellige foringsvegg-tykkelser. Fig. 9 viser en relasjon mellom koblingsreduksjon og Poisson-forholdet til materialene utenfor foringen for materialer med flere forskjellige kompresjonsimpedanser. Fig. 10 viser en relasjon mellom koblingsreduksjon og tykkelse for et tynt vannfylt lag mellom en forings ytre overflate og den indre overflate av flere materialer med forskjellige kompresjonsimpedanser. Fig. 11 viser en relasjon mellom koblingsreduksjon og bredden av en vannfylt kanal i sementen, orientert aksialt mot utsiden av den sementerte foring. Fig. 12 viser en relasjon mellom forplantnings-dempningshastighet og bredden av en vannfylt kanal i sementen, orientert aksialt mot utsiden av den sementerte foring.

Laboratoriemålinger og numerisk simulering har vist at for tykke sementkapper som omgir foringer på oljefelt, og for sender/mottager-avstander som er store nok til at forings-bølgen er den første ankomst, er amplitydesvekkingen eksponensielt avhengig av avstanden. Den følgende eksponensielle dempningsmodell er riktig: SA(ZM) = SAO exp ( -ATT * ZE ) (1)

hvor:

SA(ZM) - er den mottatte toppamplityde i millivolt ved avstand ZM

SAO - er en foringsbølgeamplityde ved "null effektiv avstand". SAO er den tilsynelatende kildestyrke som avhenger av koblingseffektiviteten inn i og ut av foringsbølgen i nærheten av transduserne samt miljøfaktorer, målesystemets følsomheter og foringsdimensjonen.

ATT - er forplantningens dempningshastighet, også kalt dempningskoeffisienten langs foringen i meter pr. lengdeenhet.

ZM - er avstanden mellom sender og mottager målt fra midtpunktet av senderen til midtpunktet av mottageren.

ZE - er den effektive akustiske avstand. Den er lengden av den del av banen til energien (i de første toppene til foringsankomsten) som forplanter seg langs foringen mellom sender og mottager adskilt med en avstand ZM.

Det refereres nå til figur 1 hvor det er vist et arrangement av akustiske transdusere på et måleinstrument eller sonde, slik som en sementbindings-sonde (CBT) 1. CBT 1 har to sendere Tu og Tl anbrakt sammen med 3 mottakere RI, R2, R3. Fire forskjellige sender/mottager-avstander er tilgjengelige med denne sonden siden avstandene mellom Tu og RI, R2 og R3 er 0,925 fot, 2,525 fot og 3,525 fot, respektive, mens avstanden mellom Tl og henholdsvis RI, R2 og R3 er 5,125 fot, 3,525 fot og 2,525 fot. Hver sender avgir etter tur en trykkpuls som forplanter seg utover til foringen hvor noe av dens energi kobles inn i vibrasjonsmodi av foringen. Denne foringsbølge-energien forplanter seg langs foringen og dempes etterhvert som den stråler energi utover til materialet bak foringen og innover inn i borehullsfluidet. På figur 1 er det vist stråler som representerer den del av energien som følger den korteste tidsbane mellom senderen Tl og mottageren R2 og bidrar til toppamplitydene av den første ankomst ved den spesielle motageren.

Lyd forlater senderen Tl og faller inn på foringsveggen 3 etter å ha blitt utsatt for sprednings- og dempningstap i fluidet, idet tapene er representert kollektivt på figuren som Sl. Når lyden faller inn på foringen blir noe av den omdannet til energi som forplanter seg i „foringsbølgen". Omdannelses-effektiviteten er på figur 1 representert som Cl. Ytterligere tap i tilknytning til forplantingsdempning langs foringen er representert som P. Energien i de første par buer av foringsankomsten er modulert som forplantning over den effektive bane ZE langs foringen når sender Tl og mottager R2 er adskilt med en avstand ZM målt fra midtpunkt til midtpunkt på transduserne. Foringsbølgen som forplanter seg, kobler energi tilbake inn i borehullsfluidet kontinuerlig langs foringen og spesielt overfor mottagertransduseren R2. Denne koblingen er betegnet som C2. Dempningstap inntreffer igjen i fluidet nær mottagertransduseren samt ved fokusering av bølgen på mottageren R2. Netto-transferfunksjonen fra foringen tilbake til mottagertransduseren R2 er betegnet S2. Lignende strålebaner kan skisseres for andre sender-mottagerpar.

På figur 1 er det vist flere mulige tilstander for det ringformede rom mellom foringen 3 og formasjonen 6. Dette ringrommet kan være fylt med et fluidum 4 slik som vann, vist ved stedet 7, eller av et fast stoff slik som sement som er bundet til foringen ved stedet 9. En annen vanlig tilstand er når sement fyller ringrommet bortsett fra et tynt gap, referert til som et mikroringrom, som for eksempel ved stedet 8. Sementen er dermed ikke bundet til foringen ved verken 7 eller 8. En annen vanlig tilstand er når sement fyller en del av ringrommet og er bundet til foringen, men endel av foringen ligger fullstendig mot et tykt fluidumlag. Denne tilstanden refereres til som kanaldannelse.

Figur 2 viser et typisk sett med bølgeformer merket Wl-W16 som kan være innsamlet ved hjelp av et annet bindings-loggeapparat som har en sender, seksten mottagere og sender/mottager-avstand som øker i inkrementer på 0,2 fot fra 0,4 fot til 3,4 fot. Disse spesielle bølgeformene ble tilveiebrakt fra en datamaskin-simulering ved å bruke den reelle akse-intregrasjonsmetode (the real axis integration method - RAI) som er diskutert i 2. Tsang, L. og Radar, D., "Numerical Evaluation of Transient Acoustic Waveform Due to a Point Source in a Fluid-Filled Borehole", Geophysics Vol. 4, side 1706-1720, 1979. CBT-sonden ville tilveiebringe et lignende resultat, imidlertid med bare seks bølgeformer ved de fire forhåndsvalgte avstander.

Oppfinnelsen er derfor beregnet på bruk av minst to signaler som ble brukt til å tilveiebringe de akustiske koblings- og dempningsverdier. Disse signaler kan være frembrakt ved å bruke en sender og minst to mottagere eller to sendere og minst en mottager. Selvsagt er det mulig med flere sender- og mottager-grupper og flere frekvenser.

Figur 3 viser et mer detaljert eksempel på bølgeformene W9 og W14 på figur 2. En bestemmelse av foringsbølge-amplityden blir foretatt ved å måle topphøyden til den første signifikante bue i bølgetoget. Foringsbølge-amplitydene vil bli bestemt for hver av minst to bølgeformer for å beregne forplantningens dempningshastighet og koblingen som vist i den foretrukne utførelsesform av den foreslåtte måling.

På figur 3 er W9 den bølgeform som kunne være mottatt ved en avstand ZM lik 2 fot og W14 er den bølgeform som kunne være mottatt med en avstand ZM = 3 fot. El er toppamplityden av den første signifikante bue i hver bølgeform som vil bli målt for å bestemme foringsbølgens amplityde. E2 er toppamplityden av den annen bue som alternativt kan måles for å bestemme foringsbølgens amplityde. Topp- eller middelkvadratrot-amplitydene til andre buer eller en kombinasjon av buer kunne også brukes til å bestemme foringsbølgens amplityde.

Figur 4 viser relasjonen mellom foringsbølge-amplityden og sender/mottager-avstand for den tidligere beskrevne sonde med seksten mottagere under tre forskjellige tilstander for en foring med ytre diameter 4,5 tommer og en tykkelse 0,29 tommer. For kurve LI, eller tilstand 1, er det vann på baksiden av foringen som vist på figur 1 ved 7. For kurve L2, eller tilstand 2, er foringens bakside fullstendig bundet til et fast materiale slik som sterk sement, som vist på figur 1 ved 9. For kurve L3, eller tilstand 3, er det på foringens bakside, men ikke bundet til foringen, det samme faste materialet hvor det finnes et mikroringrom mellom foringen og den sterke sementen som vist på figur 1 ved 8.

De punkter som er utpekt på kurve LI på figur 4, er El-amplitydemålingene fra de bølgeformer som er vist på figur 2, og som svarer til tilstand 1 som vist på figur 1 ved 7. De utpekte punkter på kurve L2 på figur 4 er amplitydemålingene El fra seksten bølgeformer under tilstand 2 maken til den som er vist på figur 1 ved 9. Punkter utpekt på kurve L3 på figur 4 er amplitydemålingene El fra seksten bølgeformer under tilstand 3 maken til den som er vist på figur 1 ved 8. Selve kurvene LI, L2 og L3 er de best tilpassede linjer til et sett med de seksten amplitydemålingene for hver tilstand. Spesielt er de tilpasset ved hjelp av minste kvadraters metode til amplitydene for mottagere med målte avstander større enn 0,6 fot ved å bruke ligning 2 og 3 som forklart nedenfor.

På figur 4 hvor amplityden er plottet i en logaritmisk skala og målt avstand i en lineær skala, er helningen til en rett linje slik som kurve LI eller L2 eller L3, som er trukket gjennom datapunktene, den rommessige dempningshastighet av foringsbølgen under de spesielle tilstander. Ordinaten for skjæringen av den rette linjen med den vertikale "effektive avstand" som er lik null-linjen, er den tilsynelatende kildestyrke SAO under de spesielle tilstander. Effektiv avstand defineres nedenfor. På figur 4 er tilsynelatende kildestyrke for tilstand 1 indikert på ordinaten, El-amplitydeaksen, som SAOl. Tilsynelatende kildestyrke for tilstandene 2 og 3 er lik hverandre og er indikert som

henholdsvis SA02 og SA03.

Den effektive akustiske avstand er ikke den samme som sender/mottager-avstanden siden blant annet den lydenergi som bidrar til de første toppene i foringsbølgen, ikke ventes å forplante seg utover fra senderen og innover til mottageren nøyaktig perpendikulært på foringsveggen. For energibidrag til foringsankomsten som kommer inn ved en skråvinkel, slik som den kritiske vinkel for vann og stål, vil den effektive avstand Ze være litt mindre enn sender/mottager-avstanden ZM, som antydet på figur 1.

Konseptet med effektiv avstand kan ytterligere klargjøres og forfines ved å vise til figur 4. Den effektive avstandsreduksjon, ZECOR, er definert som den målte avstand ZM ved hvilken der er skjæring mellom den målte logg (amplityde) som funksjon av den målte avstandslinje for rør med sementbinding (kurve L2) og loggen (amplityde) som funksjon av den målte avstandslinje for rør med ikke-bundet sement bak (kurve L3). Den effektive avstandsreduksjon kan bestemmes ved for eksempel eksperimenter og datamaskin-simulering. Effektiv avstand ZE blir så beregnet som målt avstand ZM minus effektiv avstands-reduks jon ZECOR. Målt avstand kan i seg selv avhenge av definisjoner slik som måling fra midtpunktet til senderen til midtpunktet på mottageren.

Ved hjelp av den ovenfor gitte definisjon av effektiv avstand, blir den tilsynelatende kildestyrke som er beregnet for tilstander med foringsrør som er fullstendig bundet til sementen, brakt til å bli lik den som er beregnet ved tilstander hvor det på baksiden av et foringsrør overalt er sement som ikke er bundet til foringsrøret. Enhver avhengighet av virkelig kobling på bindingstilstanden er dermed fjernet. Simuleringer har i virkeligheten vist at verdien av ZECOR, som er definert ovenfor, er svakt avhengig av de mekaniske egenskapene til sementen, og dermed av verdien av dempningen for foringsrør som er totalt dekket med og bundet til sement. Ved å bruke en konstant verdi for ZECOR kan avhengigheten av den beregnede koblingsdempning av bindingen fjernes i gjennomsnitt.

For målesystemer med en enkelt avstand ble tidligere "nullavstands-amplityden" SAO, i ligning 1 antatt kjent. Sementbindings-sonder blir vanligvis kalibrert ved å anbringe dem i en standard vannfylt, tynnvegget metallsylinder med luft på baksiden ved forut bestemt temperatur og trykk, og ved å regulere sondens valgte toppamplityde-avlesning til en forut bestemt verdi. SAO-amplityden for vannfylte foringer med vann på baksiden er dermed kjent for en rekke dimensjoner og vekter av foringsrør for oljefelt. Både foringsdiameter og veggtykkelse er viktige parametere som bestemmer den mottatte toppamplityde for foringsrør med både fluidum og sement på baksiden.

For målesystemer med flere mottagere kan både dempningskoeffisienten og foringsbølgens tilsynelatende kildestyrke SAO bestemmes fra de målte topphøyder Ai. For et system med N mottagere kan den lineære minste kvadraters løsning for SAO og ATT skrives

hvor

SAO er den tilsynelatende kildestyrke

ATT er dempningskoeffisienten i Neper/lengdeenhet SAi er amplityden ved mottager i

ZEi er den effektive mottageravstand i C11=N, antall mottagere

C12 = sum ZEi, i=l,N

C21 = sum ZEi, i=l,N

C22 = sum (ZEi)**2, i=l,N

Dl = sum (ln SAi), i=l,N

D2 = sum (ZEi*ln(SAi))

DET = C11<*>C22-C21<*>C12

For to mottagersystemer kan løsningen skrives

hvor

PAR er forplantningens dempningshastighet langs foringen i desibel/fot, relatert til dempningskoeffisienten som

SAI er toppamplityden ved målt avstand ZM1

SA2 er toppamplityden ved målt avstand ZM2

ZEI er den effektive banelengde langs foringen mellom

sender og mottager adskilt av målt avstand ZM1

ZE2 er den effektive banelengde langs foringen mellom

sender og mottager adskilt av målt avstand ZM2 Uttrykket SAO for den tilsynelatende kildestyrke i ligningene 1, 2 og 4 vil avhenge av den virkelige effektutgang fra sendertransduseren og av mottagerfølsomheten, som begge kan være funksjoner av temperatur og trykk. I tillegg vil det målte trykknivå avhenge av dempningen av trykkbølgen over banelengden i fluidet, til og fra foringsveggen og av den akustiske impedansen til borehullsfluidet. Endelig vil den tilsynelatende kildestyrke avhenge av koblingen mellom utsendte og mottatte trykkbølger i fluidet og foringsbølgen (Lamb-bølgen) som vil forplante seg langs foringen. D.v.s., den vil avhenge av kobling mellom den utsendte trykkbølge og foringsbølgen ettersom modiet blir satt opp nær senderen, og av koblingen mellom foringsbølgen som ankommer overfor mottagertransduseren og trykkbølgen i fluidet som virkelig mottas.

Tilsynelatende kildestyrke SAO ser man således avhenger av målesystemets karakteristikker, miljøfaktorer og koblingseffektivitet. For å trekke ut en måling av selve koblingseffektiviteten, kan det benyttes to metoder.

Ideelt vil verdier av faktorer som påvirker tilsynelatende kildestyrke, slik som temperatur, trykk og borehulls-fluidets egenskaper, være tilgjengelige hver gang tilsynelatende kildestyrke blir beregnet. Målesystemets følsomheter overfor disse faktorene vil også være kjent for måleapparatet som er i bruk og korreksjoner vil så bli foretatt på alle amplityder SAi som benyttes til beregning av SAO og ATT. Dette er ekvivalent med regulering av målesystemets borehullsmiljø til en viss standardtilstand, og også korreksjon for instrumenteringsfeil slik som endringer i transduserfølsomhet og elektronikkfeil. Etter denne korreksjonen blir de gjenværende variasjoner av tilsynelatende kildestyrke antatt å avhenge bare av variasjoner av koblingen fra standardtUstandene. Standardtilstander kan for eksempel være standard laboratorietilstander på 500 psi, 25°C med vann både innenfor og utenfor et foringsrør med den diameter og tykkelse som benyttes i brønnen. Disse vil være å betrakte som standardtilstander for "fritt rør". Når tilsynelatende kildestyrke blir beregnet fra amplityder som er regulert med hensyn til standardtilstander, kan en passende koblingseffektivitet skrives:

hvor

CRST er koblingseffektivitet i forhold til kobling ved standardtilstander.

SAOC(d) er tilsynelatende kildestyrke beregnet ved dybde d i brønnen fra amplityder som er korrigert for instrumenteringsfeil eller drift og for miljøvirkninger slik som egenskaper ved borehullsfluidet.

SAOst er tilsynelatende kildestyrke for denne foringsdimensjon og tykkelse under standardforhold.

En annen metode til å trekke ut en måling av koblingseffektivitet er å sammenligne den tilsynelatende kildestyrke SAO(dref) som er beregnet ved en referansedybde dref med den tilsynelatende kildestyrke SAO(d) som er beregnet ved en viss annen dybde d hvor alle faktorer som påvirker den tilsynelatende kildestyrke, bortsett fra koblingseffektiviteten, er kjent å være den samme. Temperatur, trykk og egenskaper ved borehullsfluidet er hovedsakelig parametere som varierer langsomt og kan derfor ansees som konstante over vanlige loggeintervaller. Relativ tilsynelatende kildestyrke blir bestemt og antas å være lik relativ kobling, d.v.s. :

hvor

CREL er koblingseffektivitet i forhold til referanse-tilstanden.

SAO(d) er den tilsynelatende kildestyrke ved dybde d beregnet fra amplityder som ikke er blitt korrigert for å ta

hensyn til omgivelse som ikke er ifølge standarden.

SAO(dref) er tilsynelatende kildestyrke som er beregnet ved referansedybde dref i brønnen beregnet fra amplityder som ikke er blitt korrigert for å ta hensyn til ikke-standard omgivelser.

Lokalkunnskap kan muliggjøre et valg av dref slik at materialet bak røret har omtrent den samme kompresjonsimpedans som ved standard referansemateriale, vann. SAO(dref) er da tilsynelatende kildestyrke under tilstander med fritt rør nede i borehullet. Kobling vil bli bestemt i forhold til referanse-tilstandene nede i hullet.

CBT-loggeapparatet måler mottagersignaler SAI til SA6 i mV, fra seks sender/mottager-par. Det vises til figur 1 hvor amplitydene SAi er tilordnet følgende sender-mottagerpar: SAI med (Tu,R3), SA2 med (Tu,R2), SA3 med (T1,R2), SA4 med (T1,R3), SA5 med (Tl,RI), og SA6 med (Tu,RI). Etter at disse målingene SAi er kalibrert, d.v.s. korrigert for målesystem-feil og miljømessige faktorer, blir de kalt SA1C til SA6C. Den målte avstand fra midtpunktet av senderen til midtpunktet av mottageren er kalt ZM1 til ZM6 (i fot).

Derfor kan ligning 1 omskrives som:

hvor

SAiC = den kalibrerte amplityde for sender-mottagerpar i

SAOst = amplityde i rør med vann på baksiden (fritt rør) for en effektiv avstand på null fot (i mV)

PAR = forplantningens dempningshastighet (i desibel pr.

fot)

ZEi = effektiv avstand i fot for måling "i"

= avstand på hvilken dempningen fra forplantningen langs foringen virkelig inntreffer.

= ZMi - ZECOR (korreksjon for effektiv avstand) og

CAT = koblingsdempning i dB, d.v.s. kobling referert til rør med vann på baksiden under standard tilstander. Under standard tilstander CAT=0.

Legg merke til at:

Og definerer:

Størrelsen av uttrykket i de indre parentesene i ligning 8 er den totale dempning som man ser som et resultat av "koblingsdempning" og "forplantningsdempning".

Under den antagelse at målingene foretas i et medium som er homogent over apparatlengden, kan en forenklet form av ligningene for bestemmelse av koblingsdempning og forplantningsdempnings-hastighet anvendes. SAOst (ATOst), Zmi og ZECOR (ZEi) er parametere som her antas å være kjent.

Fra ethvert av to sender-mottagerpar (a) og (b) kan bli beregnet:

Ulik PAR krever således beregningen av CAT tidligere kunnskap om parameterne ZEi og APOst.

Hvis korreksjoner ikke kan foretas på amplitydene SAi for å bestemme kalibrerte amplitydemålinger SAiC, kan det likevel foretas et estimat av PAR og CAT fra ligningene 11 og 12. I dette tilfelle vil ATOst i ligning 12 bli erstattet av ATO(dref) som blir fastslått under tilstander nede i borehullet ved å bruke ligning 8 med CAT antatt å være lik null. I ligningene 8, 11 og 12 vil SAiC bli erstattet av målte amplityder SAi.

Betrakt den CBT-transduserformen som er illustrert og ofte benyttet på figur 1 av flere grunner, hvor to avstander synes å være mest nyttig til å foreta CAT-beregningen.

den "korte" avstandsmåling (SA6, ZM6 = 0,925 fot)

de "nære" avstandsmålinger (SA2 og SA4, ZM2=ZM4=2,525 fot) .

Det fysisk rimelige området av virkelige avstander for eksponensiell svekking er begrenset av foringsdiameter og lydhastigheter i fluidet for de korte avstandene, og av signal/støy-forhold ved de lengre avstander.

Ved korte avstander vil den direkte fluidumankomst komme foran foringsankomsten. I hurtige fluider og for større foringsdimensjoner er problemet mer alvorlig. En avstand på minst 0,925 fot vil tillate foringsankomsten å komme foran den direkte fluidumankomst i fluider som man vanligvis møter ved logging i oljebrønner hvis foringsdimensjonen er 7,0 tommer eller mindre, og hvis transduserdimensjonene er omkring 2 tommer (ytre diameter). Hvis transduserne er større og dermed nærmere stålforingen, kan den minste avstand reduseres litt.

Ved lange avstander vil "veistøy" bidra til den målte foringsbølge-amplityde og forvrenge den normale eksponensielle svekking som funksjon av avstanden. En avstand slik som 3,525 fot viser seg å være den øvre grense som er gitt ved de nåværende tilgjengelige loggeapparater for sementbindinger. Utover denne avstanden vil dempninger større enn omkring 12 dB/fot ikke bli målt nøyaktig på grunn av støyproblemer.

Foreløbige numeriske simuleringer synes å indikere at for sementkapper med endelig tykkelse, kan amplitydesvekking avvike svakt fra eksponensiell svekking når interferenser opptrer mellom foringsankomsten og ytterligere energi, idet slik ytterligere energi blir reflektert fra den ytre grenseflate mellom sementkappen og formasjonen. Disse simuleringer har vist at for en rekke egenskaper for det ytre materialet og sementlag, er området for ikke-eksponensiell svekking begrenset til kortere avstander. Graden av forstyrrelse av den eksponensielle svekning på grunn av den reflekterte energi, vil også avhenge av lydhastigheten i sementkappen og impedanskontrasten ved sementens ytre grenseflate.

Den programvare som er tilgjengelig for innsamling av sementbindingsverdier foretar en innsamling av målinger fra alle sender-mottagerpar for hver 6 tommer, og tilordner "målepunkter" til midtpunktet mellom sender og mottager for amplitydemålingen fra hvert spesielt transduserpar. Alle målinger blir så lagret slik at de enkelte målepunkter blir innrettet til et felles referansemålepunkt hvis dybde så tilordnes de målte verdier på sementbindingsloggen. For enkelthets skyld refererer indikasjoner mellom parenteser til dybdeforskyvningen av de enkelte, lagrede amplitydemålinger (i fot) referert til referanse-målepunktet for den endelige koblings-dempningsverdi. For eksempel SA6(0) er SA6-målingen foretatt ved referanse-målepunktet hvor CAT skal beregnes. SA2C (-1) er den kalibrerte SA2-måling hvis målepunkt er 1 fot under referanse-målepunktet for den CAT-beregnede verdi.

Laboratoriemålinger indikerer at koblingsdempningen (CAT) for CBT har en meget fin vertikal oppløsning. Den blir hovedsakelig påvirket av de mekaniske egenskapene til det ytre materialet i en to til tre tommer lang seksjon foran både senderen og mottageren. Målingen av koblingsdempningen vil så svare til koblingseffektiviteten nær hver av de transdusere som brukes ved bestemmelsen. Beregningen blir derfor strukturert slik at den beregnede koblingsdempning er mer lokalisert og representativ for de materialer som virkelig er ved referanse-målepunktet for koblingsdempningen. Ved å kombinere amplitydemålinger tatt ved flere dybder, gis det videre rom for variasjoner i materialegenskaper innenfor lengden av brønnlogge-instrumentet. Materialet bak foringen behøver da ikke å være homogent, og den beregnede verdi av CAT vil fremdeles være et nøyaktig estimat av den lokaliserte koblingsdempning.

For å ta hensyn til alle de ovennevnte begrensninger, blir to nesten ekvivalente grunnformler CAT1 og CA2, foreslått for beregning av koblingsdempningen CAT, idet en av dem eller en eller annen koblinasjon av de to kan brukes i innsamlings-apparatets programvare, slik at det endelige valg blir foretatt på grunn av praktiske betraktninger i forbindelse med programvarens omgivelser.

Parameteren ZECOR kan være fiksert i programvaren som en funksjon av foringsdimensjonen, og parameteren ATO kan være valgt av operatøren på feltet avhengig av brønnens tilstander. Prosessen for kalibrering av CAi følger standardformen på området.

De to algoritmer er derfor:

CAT1 og CAT2 er begge estimater av koblingsdempningen CAT ved referanse-målepunktet.

Resultater av labaratorietesting og numerisk simulering blir nå diskutert for å illustrere anvendelsen av koblingsdempnings-målingen. Disse resultatene viser at koblingen av energi inn i og ut av foringen er avhengig ikke bare av de elastiske egenskapene og tettheten til foringsrøret og borehullsfluidet, men også av de elastiske egenskapene og tettheten til materialet på utsiden av foringsrøret . Den viktigste egenskap ved materialet utenfor foringsrøret er dets kompresjonsimpedans. Den virkelige mekaniske binding av dette materialet til foringen er uviktig forutsatt at materialet er nær foringsrørets ytre overflate. Forplantingsdempnings-verdien av foringsankomsten blir derimot hovedsakelig bestemt av bindingsstyrken for materialet utenfor foringen. Bindingsstyrken blir bestemt av enten kjemisk bindingsstyrke eller mekanisk/friksjonsmessig bindingsstyrke og skjærmodulen for det materiale som er bundet til foringen. Kompresjons-modulen er av sekundær viktighet. Det ytre materialet, slik som sement, må virkelig berøre foringsrørets ytre overflate, og være sterkt bundet til det for at signifikant dempning skal inntreffe. Indre trykk i et foringsrør øker ofte skjærbindingen uten å endre det ytre materialets moduli.

Koblingsdempning vil også bli referert til i den følgende diskusjonen som tilsynelatende kildestyrke-reduksjon eller AOred. Resultater av numerisk simulering ved bruk av RAI (referanse 2) ble foretatt under følgende tilstander med mindre annet er påpekt: en sentralisert punktkilde med 20 KHz midtfrekvens, punktmottagere og vann som borehullsfluidum. Det ytre materialet var nær, men ikke bundet til foringsrøret. Et Poisson-forhold på 0.315 er blitt brukt for alle "standard sement-beregninger" bortsett fra hvor annet er bemerket. Tilsynelatende kildestyrke er blitt bestemt fra ligning 2 og 3 ovenfor, etter at toppamplityder SAi, ble målt for alle simulerte bølgeformer. Når koblingsdempningen er diskutert, har den tilsynelatende kildestyrke blitt normalisert ved hjelp av den tilsynelatende kildestyrke som er funnet i simule-ringene for rør med vann på baksiden, noe som gir den relative kobling, CREL og presentert i dB som CAT eller AOred.

Figur 5 viser trendlinjen 10 for koblingsdempningen som funksjon av kompresjonsimpedansen for en rekke ytre materialer for et foringsrør med ytre diameter 5,5 tommer og tykkelse 0,25 tommer. Punkter nær trendlinjen på figur 5 representerer koblingsdempnings-verdier beregnet i separate simuleringer for hvilke egenskapene til det ikke-bundne materialet på baksiden av foringsrøret, ble variert. Disse ytre materialer omfatter fluider med varierende tettheter og glidhastigheter, sementer med forskjellige kompresjonsimpedanser, og sandsten med forskjellige porøsiteter. I hver av disse simuleringer ble et sett på 16 bølgeformer, slik som vist på figur 2, beregnet. Verdier av SAO ble bestemt tilsvarende SA03 vist på figur 4, ved å bruke en konstant verdi av ZECOR for alle simulerte tilfeller. Koblingsdempningen viser seg å øke etter hvert som det ytre materialets kompresjonsimpedans øker.

Både eksperimentelle studier og numerisk simulering har vist at tykkelsen og diameteren av foringsrøret også er viktige når det gjelder å bestemme størrelsen av koblingen og dens følsomhet overfor kompresjonsimpedansen til det ytre materialet. På figur 6 viser linje 11 trenden for tilsynelatende kildestyrke SAO i dB som funksjon av kompresjonsimpedansen for den samme foring som brukes på figur 5 (ytre diameter 5,5 tommer, tykkelse 0,25 tommer). Linje 12 viser trenden for en tykkere foring (ytre diameter 5,5 tommer, tykkelse 0,4 tommer), mens linje 13 viser trenden for et større foringsrør (ytre diameter 9 5/8 tomme, tykkelse 0,25 tommer). Avmerkede punkter på kurvene er resultatene fra numerisk simulering. Ingen normalisering av den tilsynelatende kildestyrke er blitt foretatt. Økning av forings-tykkelsen forårsaker i dette eksempelet at både den tilsynelatende kildestyrke for foringsrør med vann på baksiden økes (ved kompresjonsimpedans lik 1,5) og at følsomheten for tilsynelatende kildestyrke som funksjon av ytre materialimpedans blir redusert. Størst følsomhet av tilsynelatende kildestyrke SAO overfor kompresjonsimpedans inntreffer i mindre, tynnere foringsrør. Figur 7 viser tilsynelatende kildestyrke-reduksjon AOred (koblingsdempning) fra en rørverdi med vann på baksiden som funksjon av foringstykkelse for en spesiell foringsdimensjon (7 tommer ytre diameter). Åtte eksempler på kompresjonsimpedanser for ytre materialer er angitt. På figur 7 er linjer for konstant kompresjonsimpedans betegnet ved verdien av kompresjonsimpedansen i enheter av (kg/(m**2 sekunder)E6). Figur 8 viser de samme simulerte data som på figur 7 med tilsynelatende kildestyrke-reduksjon AOred plottet som funksjon av det ytre materialets kompresjonsimpedans for fire forskjellige foringstykkelser for foringsrøret med ytre diameter 7 tommer. Linjer for konstant foringstykkelse er betegnet ved hjelp av verdien av tykkelsen i tommer. Disse figurene vil bli diskutert nærmere i forbindelse med et følgende eksempel.

Den lave følsomheten av koblingsdempningen for Poisson-forholdet (PR) til det faste materialet bak foringsrøret er illustrert på figur 9, for en spesiell foringsrørdimensjon (ytre diameter 4,5 tommer) og tykkelse (0,25 tommer). Denne figuren viser reduksjon i kobling i forhold til kobling for foringsrør med vann bak som funksjon av Poisson-forholdet i det rimelige området 0,45 til 0,25. Flere kurver er vist, hver for en fast verdi av kompresjonsimpedans som betegner kurven og hvis verdier er gitt i enheter på (kg/m**2 sekunder)E6). Følsomheten til AOred overfor kompresjonsimpedans viser seg å være langt større enn overfor Poisson-forholdet.

Graden av følsomhet for koblingsdempningen overfor bredden av et tynt fluidumfylt gap mellom foring og sement er illustrert på figur 10. Et tynt vannlag er blitt innført i eksemplene mellom den ytre foringsoverflate og den indre sementoverflate for et foringsrør som har en ytre diameter på 5,5 tommer og en tykkelse på 0,25 tommer. Simulerings-resultater er vist for tre forskjellige yttermaterialer og plottet som koblingsdempning som funksjon av tykkelsen av det tynne vanngapet. For trendlinjen 14 er det ytre materialet sement med kompresjonsimpedans lik 2,73 (kg/(m<**>2 sekunder)E6). For trendlinjen 15 er det ytre materialet sement med kompresjonsimpedans 3,01. For trendlinjen 16 er det ytre materialet sement med kompresjonsimpedans 4,25. For tykkelser av dette vannlaget som er mindre enn omkring 0,05 tommer, er koblingsdempningen den samme som den som opptrer for en bundet sementkappe med samme kompresjonsimpedans, eller for et infinitesimalt tykt vanngap. For vanngap-tykkelser større enn omkring 0,5 tommer, er koblingsdempningen tilnærmet lik den for et uendelig tykt vanngap. I området for vanngap-tykkelser fra 0,05 tommer til 0,5 tommer avtar koblingsdempningen gradvis fra bindingsnivået til nivået for vann bak

røret.

Tykkelsen av det tynne vann- eller gass-fylte laget mellom foringsrørets ytre overflate og sementen eller det ytre materialets indre overflate blir her referert til som makroringrommets dimensjon. I olje- eller gass-brønner er vanligvis dimensjonen av gapet som er et resultat av sementerings- og fullføringsoperasjonene forventet å være mindre enn omkring 0,01 tommer, og det blir referert til som et mikroringrom. Koblingsdempning er derfor ufølsom overfor nærværet av vannfylte mikroringrom for de størrelser av mikroringrom som man vanligvis møter i olje- og gassbrønner.

Den nedre grense på 0,05 tommer og den øvre grense på 0,5 tommer for størrelsen på makroringrommet, for hvilket koblingsdempningen i de foreliggende simuleringer viser en overgang mellom faststoff- og vann-respons, er selv avhengige av bølgelengden til kompresjonsenergien i det materialet som utgjør makroringrommet. Disse grensene kan reguleres ved å forandre frekvensinnholdet i det signal som utsendes av brønnlogge-instrumentet. Økning av frekvensen vil flytte disse overgangs-tykkelsene til mindre verdier. Ved å variere frekvensene som brukes i brønnloggings-instrumentet, kan derfor bredden av mikroringrom-gapet anslås.

Azimut-fordelingen av sement bak foringsrøret i nærheten av senderen og mottageren er også viktig når det gjelder å regulere størrelsen av den akustiske kobling. Forsøk viser at det er et svakt ikke-lineært forhold mellom bredden av en aksial kanal i sementkappen og nivået i dB for koblingstetning som observeres ved de frekvenser som er testet. Koblingen øker fra den verdi den ville ha i et rør med fullstendig sement bak til den verdi den ville ha i et rør med bare vann bak, ettersom en vannfylt kanalvinkel øker fra null grader til 360 grader. Figur 11 viser denne responsen for aksiale kanaler med fem forskjellige bredder. Tilfeller med 100 % sement bak foringsrøret, 100 % vann bak foringsrøret og 100 % luft bak foringsrøret er også blitt registrert. Den sement som brukes i det gitte eksempel hadde en kompresjonsimpedans på omkring 2,83 . IO<6> kg/(m<2> s) sammenlignet med 1,5 . 10<**>6 for vann. Koblingsdempningen avtar med omkring 4,5 dB når man går fra foringsrør med sement bak til foringsrør med vann bak. Ytterligere 3,8 dB opptrer fra rør med vann bak til rør med luft bak. På figur 11 viser trendlinjen 17 forholdet mellom koblingsdempning og bredden av de vertikale vannfylte kanaler. Avmerkede punkter på linjen er de virkelige verdier for koblingsdempning som er beregnet ved å bruke ligning 2 og 3 med amplityder målt ved 24 avstander.

Som kjent er azimut-fordelingen av sement bak foringsrøret mellom senderen og mottager også viktig når det gjelder å regulere størrelsen av forplantningsdempnings-hastigheten, PAR. I tillegg viser det seg også å være et svakt ikke-lineært forhold mellom bredden av en aksial kanal i sementkappen og verdien for forplantningsdempnings-hastigheten i dB/fot som observeres ved frekvensene i eksempelet. Dempningskoeffisienten avtar nesten lineært fra den verdi den ville ha i et rør med bare sement bak til den verdi den ville ha i et rør med bare vann bak. Figur 12 viser denne responsen for det samme eksempel som er diskutert ovenfor i forbindelse med figur 11.

Den vertikale fordelingen av sement bak foringsrøret i nærheten av både senderen og mottageren er også viktig når det gjelder å bestemme størrelsen av den akustiske kobling. Forsøk har vist at evnen til koblingsmålingen når det gjelder å oppløse forandringer i kompresjonsimpedans bak foringsrøret, kan være ganske skarp, i samme størrelsesorden som størrelsen av sender- og mottager-transduserne. Denne oppløsningen vil også avhenge av frekvensen til den utsendte akustiske puls, den aksiale lengde av transduserne og diameterforskjellen mellom foringsrøret og transduseren.

Som en oppsummering er det klart at verdien av koblingsdempningen som er beregnet på den måte som er beskrevet ovenfor, avhenger direkte av kompresjonsimpedansen til materialet utenfor foringsrøret, og av fordelingen av det materiale i ringrommet i nærheten av sender- og mottager-transduserne. Koblingen er svakt avhengig av Poisson-forholdet for det ytre materiale. Den blir ikke påvirket av et vannfylt makroringrom med tykkelse opptil omkring 0,1 tomme for et sonisk loggeapparat med senterfrekvens omkring 20 kHz og 3 dB båndbredde ved 9 kHz som ble brukt i de ovenfor beskrevne eksempler. For apparater hvis sendere og mottagere ikke er retningsavhengige i forhold til azimut(i et sylindrisk koordinatsystem med akse langs foringsrørets akse), vil bidrag til de målte toppamplityder bli mottatt fra alle azimut-retninger. Koblingsdempningen vil avhenge av kombinasjonen av sementforkomst og styrke, og er derfor et mål på den midlere kompresj onsimpedans.

Kompresjonsimpedansen kan anslås fra koblingen ved å bruke kurver av den type som er vist på figur 7. Kurver over koblinger kan konstrueres enten ut fra resultater av laboratorieforsøk eller numerisk simulering for forings-størrelser som er av interesse. Den sekundære avhengighet av koblingen til Poisson-forholdet kan oversees og nominelle verdier på 0,315 kan brukes til å konstruere diagrammet som på figur 7 og 8, eller diagrammer kan konstrueres ved å bruke andre antatte verdier av Poisson-forholdet. For å bruke det diagram som er vist på figur 7, blir koblingsreduksjonen (dempning) i forhold til kobling i rør med vann bak beregnet fra målinger av foringsbølge-amplityde ved å bruke uttrykk slik som ligning 12, 15 eller 18 ovenfor. Beregnet koblingsdempning blir så plottet som funksjon av foringstykkelse på figur 7, og verdien av kompresjonsimpedansen blir bestemt ved å interpolere mellom de nærmeste linjer for konstant kompresjonsimpedans, som forklart nærmere i et følgende eksempel.

Alternativt kan diagram slik som vist på figur 8, brukes. En linje for konstant foringsrørtykkelse lik den for en kjent, aktuell foringstykkelse, blir tilveiebrakt ved å interpolere mellom nærliggende linjer for foringstykkelse som allerede er på diagrammet. En horisontal linje blir trukket gjennom den vertikale akse ved et nivå som svarer til den beregnede koblingsdempning. Posisjonen blir så bestemt langs denne linjen ved skjæringen med kurven for konstant, aktuell foringstykkelse. Gjennomsnittlig kompresjonsimpedans for det ytre materialet blir avlest som den horisontale koordinat.

Kompresjonsstyrke er en nyttig materialegenskap å bestemme siden den er blitt en industristandard for å karakterisere oljebrønn-sementer. Fra forholdet mellom koblingsdempningen og kompresjonsimpedansen og fra forhold slik som de i referanse 3 mellom kompresjonsimpedans og andre mekaniske egenskaper (for eksempel kompresjonsstyrke) for sement, kan en tilsynelatende kompresjonsstyrke for materialet bak foringsrøret beregnes fra koblingsdempningen.

Antas det at egenskapene (kompresjonsimpedansen) til sementen er kjent og konstant, kan man også beregne en "sementindeks11 (CI) fra CAT, i tillegg til den vanlige "bindingsindeks" (BI) beregnet fra PAR:

hvor

CI er sementindeksen

CAT er den beregnede verdi av

koblingsdempningen

CATMAX er den maksimale verdi av

koblingsdempningen, den forventede verdi for den speselle sement og det spesielle foringsrør.

CATMAX kan enten anslås fra loggen eller tas ut av et diagram over koblingsdempning som funksjon av kompresjonsstyrke for sement for den gitte foring. Under de ovenfor angitte antagelser er sementindeksen et mål på den del av foringen som det er sement bak. Resultater illustrert på figur 11 antyder at CI øker ettersom prosentandelen av foringsrør-overflaten som det er sement bak, øker. CI er lik null når det er vann bak røret og lik en når det bare er sement bak røret og denne har den ventede styrke.

En bindingsindeks som allerede er i bruk i industrien beregnes som:

hvor

BI er bindingsindeksen

PAR er den beregnede verdi av forplantnings-dempningshastigheten

PARMIN er verdien av forplantningsdempnings-hastigheten som ventes for den frie forings-tilstand for den spesielle foring

PARMAX er den maksimale verdi av forplantningsdempnings-hastigheten som ventes for den spesielle sement og det spesielle foringsrør.

Her kan også PARMIN og PARMAX bestemmes fra loggen. Alternativt kan PARMAX tas ut fra et diagram over forplantningsdempnings-hastighet som funksjon av kompresjonsstyrke for sement ved den gitte foring, og PARMIN kan tas ut fra et diagram over forplantningsdempnings-hastighet i fritt rør som funksjon av foringsdimensjon og tykkelse.

Denne bindingsindeksen er da et mål på den del av foringsrøret som er bundet til sementen.

Når bindingsindeksen er mindre enn sementindeksen, kan det være en indikasjon på at en del av sementen på stedet ikke er bundet til foringsrøret (mikro- eller makro-ringrom). Vanligvis når koblingsdempningen er høy og forplantningsdempningen er lav, vil det si at man kan vente et mikroringrom.

Som antydet ovenfor kan den tilsynelatende kompresjonsstyrke beregnes fra anslått kompresjonsimpedans. Når denne tilsynelatende kompresjonsstyrke svarer til den for den sement som er brukt i den aktuelle sone, er det sannsynlig at foringen er fullstendig dekket på baksiden av sement. Hvis forplantningsdempnings-hastigheten i en slik sone er under det som ventes for en foring med bare sement bak, er det en indikasjon på mulige mikro- eller makro-ringrom. Hvis derimot den tilsynelatende kompresjonsstyrke er mindre enn den for den sement som brukes, og forplantningsdempnings-hastigheten er under den som forventes for et foringsrør med fullstendig sementbinding, er det en indikasjon på at det enten er kanaler i sementen eller at den er svakere enn ventet, for eksempel på grunn av forurensning med slam.

For å illustrere de tolkninger som kan gjøres ved å bruke koblingsdempnings- og forplantningsdempnings-hastighet, antas det en situasjon med en brønn som inneholder et foringsrør med ytre diameter 7 tommer og vekt på 23 pund pr. fot med nominell veggtykkelse på 0,317 tommer, og som på baksiden er forsynt med sement med kompresjonsstyrke tilnærmet lik 4000 psi, for hvilke konstruksjonsimpedansen er 4,95 (kg/(m**2 sekunder)E6).

Til å begynne med må verdien av tilsynelatende kildestyrke beregnes for denne rørdimensjonen for å måle topphøydene av foringsbølge-amplityder innsamlet ved hjelp av loggeapparatet under referansetilstander med vann bak foringsrøret. Dette kan gjøres nede i hullet i et område slik som det som er vist på figur 1 ved 7, eller det kan gjøres ved overflaten under standardtilstander. De beste anslag over kobling og dempning vil bli oppnådd hvis alle amplityder SAiC blir oppnådd med korrekt kalibrerte transdusere som er kompensert for miljøforandringer.

Amplityder som er oppnådd under disse tilstander med fritt rør, vil bli plottet langs en linje slik som LI på figur 4, for hvilken helningen er dempningshastigheten for det frie rør. En verdi på ZECOR for denne rørdimensjonen på omkring 0,25 fot, vil bli brukt til å korrigere alle målte avstander til effektive avstander. Avhengig av apparatkonfigurasjonen kan ligningene 2 og 3, eller ligningene 11 og 12, eller 15, eller 18 brukes til å beregne verdier av forplantningsdempnings-hastighet PAR og tilsynelatende referanse-kildestyrke SA0st(og ATOst). Hvis ligning 12 eller 15 eller 18 blir brukt, blir CAT eller CAT1 eller CAT2 satt til null, og ligningen blir løst for ATOst og ligning 10 brukt til å bestemme SAOst. Hvis ligning 2 brukes er SAOst = SAO. For denne foringsdimensjonen venter vi en forplantningsdempnings-hastighet for fritt rør, PARMIN, på omkring 0,53 dB/fot. Når man kjenner den tilsynelatende referanse-kildestyrke SAOst (eller ATOst), kan koblingsdempningen bestemmes i andre intervaller av brønnen.

I et annet intervall av brønnen hvor sementen er bundet til foringen, slik som vist på figur 1 ved 9, vil bølgeformer igjen bli mottatt og topp-amplityder El målt. Disse toppamplitydene vil falle langs en rett linje slik som L2 på figur 4. En verdi for ZECOR på 0,25 fot, blir igjen brukt for å korrigere målte avstander. Ved så å bruke ligning 2 og 3 eller ligning 11 og 12 eller 15 eller 18 kan forplantningsdempnings-hastigheten og koblingsdempningen bestemmes. Under bindingstilstander for denne foringsdimensjon og sementtype, venter vi at PAR-resultatene bør være lik 10,34 dB/fot og at tilsynelatende kildestyrke SAO er slik at CRST som er lik SAO/SAOst er lik 0,63 3, og at CAT dermed er lik 3,97dB.

For å bestemme den midlere kompresjonsimpedans i dette intervallet, vises til et diagram av den type som er vist på figur 7 for foringsdimensjonen på 7,0 tommer. Ved å lokalisere punktet CAT = 3,97 dB, foringstykkelse = 0,317 og interpolere mellom de nærmeste linjer for konstant kompresjonsimpedans, kan man bestemme at kompresjonsimpedansen er lik 4,95.

Alternativt kan man gå inn i et diagram av den type som er vist på figur 8 for foringsstørrelsen på 7,0 tommer. Man kan lokalisere punktet CAT = 3,97 dB og bevege seg horisontalt til en linje for konstant foringstykkelse på 0,317, som er bestemt ved å interpolere mellom de nærmeste linjer for konstant tykkelse som er på diagrammet. Man kan så bevege seg nedover til abscissen for å avlese kompresjonsimpedansen på 4,95.

Hvis sementen opptar hele ringrommet og er bundet i sonen som vist på figur 1 og 9, og hvis sementen ikke er blitt for-tynnet under anbringelsen, og hvis sementen har størknet i henhold til spesifikasjonene, så vil denne sonen være blant de mest velsementerte soner i brønnen, blant soner hvor vedkommende sementblanding ble brukt. Den CAT som er målt i en slik sone, kan så brukes som CATMAX, og PAR som er målt i en slik sone, kan brukes som PARMAX.

Et annet valg av CATMAX kan gjøres ved å gjenta de opera-sjoner som er forklart ovenfor for å bestemme kompresjonsimpedansen, men i motsatt rekkefølge, d.v.s. at konstruksjonsimpedansen for den brukte blanding blir brukt til å gå inn i diagrammer av den type som er vist på figur 8, på abscissen med for eksempel en verdi for kompresjonsimpedans for sement som er lik 4,95. Fortsetter man vertikalt til en linje for konstant foringstykkelse på 0,317 som er bestemt ved interpolering mellom linjer for konstant foringstykkelse, som er på diagrammet, er den forventede maksimalverdi av CAT (CATMAX) lik 3,97 dB å avlese som ordinat.

Straks en verdi av CATMAX er blitt bestemt, kan verdien av sementindeksen beregnes ved alle posisjoner i brønnen. Sement-indeksen i de velsementerte soner vil ha verdier tilnærmet lik l.

Som et ytterligere eksempel betraktes en annen,sone hvor en vertikalt slamfylt kanal opptar omkring 108 grader, tretti prosent av ringrommet. Fra diagrammer av den type som er vist på figur 11, som viser et eksperimentelt observert forhold mellom koblingsdempning og kanalvinkel, ventes det at målt koblingsdempning, CAT, i denne sonen og for denne foringsdimensjonen, sementtypen og kanalbredden, vil være omkring 3,09 dB. Fra andre data, slik som de som er vist på figur 12, over kanalvinkel som funksjon av målt forplantningsdempnings-hastighet PAR, venter man at PAR i denne sonen vil være omkring 7,58 dB/fot. Man beregner så sementindeksen Ci, til å være 3,09/3,97 = 0,78 og bindingsindeksen til å være (7,58 - 0,53)'(10,34 - 0,53) = 0,72. Siden bindingsindeksen er tilnærmet lik sementindeksen og begge er betydelig mindre enn en, er konklusjonen at en kanal er til stede.

Som et ytterligere eksempel betraktes en annen sone hvor sement opptar hele ringrommet, men ikke er bundet til forings-røret, som vist på figur 1 ved 8. I dette tilfelle vil den målte dempningshastighet være omkring 0,6 dB/fot, og den målte koblingsdempning vil være omkring 3,97 dB. Man kan beregne sement-indeksen, CI, til å være 3,97/3,97=1, mens bindingsindeksen er (0,6 - 0,53)/(10,34-0,53)=0,007. Siden sement-indeksen er meget større enn bindingsindeksen kan man slutte at et mikroringrom er tilstede.

Som en oppsummering kan det derfor sies at det er foreslått en ny måling for sementbindings-logging. Akustisk kobling blir identifisert som en viktig amplityderegulerende mekanisme som avhenger av egenskaper ved materiale utenfor foringsrøret og som kan adskilles fra forplantningsdempning når to eller flere signaler fra sender til mottager, er til stede. Denne flerfoldighet av avstander kan oppnås ved å bruke en sonde med to sendere og tre mottagere maken til den som er vist på figur 1, eller med en vilkårlig gruppe sendere og mottagere, som bemerket tidligere i beskrivelsen.

En eksponensiell svekningsmodell blir antatt for foringsankomsten i de foreslåtte algoritmer for å beregne kobling og dempning. Denne amplitydeavhengigheten som funksjon av avstanden blir i virkeligheten observert ved modeller innenfor et begrenset område av avstander mellom sender og mottager, når tykkelsen av sementkappen er stor nok. Faktorer som forstyrrer eksponensiell svekning, innbefatter den direkte fluidumankomst, vei- og system-støy, samt reflektert energi fra den ytre sement-grenseflate.

Tidligere teknikker for logging av sementbinding har krevet en omhyggelig kalibrering av sender og mottager for å forbinde toppamplityde med sementstyrke. Amplitydemålinger for flere mottagere og sendere muliggjør imidlertid at dempningen kan beregnes uavhengig av sender- og mottager-følsomheter gjennom det BHC-hovedområde som er dokumentert i "Method and Apparatus for Cement Bond Logging" som det er referert til tidligere. Effektiv nullavstands-amplityde SAO kan også beregnes uten hensyn til systemkalibrering og brukes som en "relativ koblings"-indikator. Som en slik vil den imidlertid også avhenge av målesystemets følsomhet overfor temperatur og trykk, og av miljøfaktorer slik som impedans og Q for borehullsfluidet, og av geometriske faktorer slik som foringsdimensjon, tykkelse og transduserkonstruksjon.

For å relatere kobling til sementimpedans og fordeling alene, er det nødvendig å kompensere for systemfølsomheter, samt miljøfaktorer og geometriske faktorer. Dette kan utføres ved å normalisere kobling til den kobling som observeres enten nede i hullet i frie rør eller ved standard referansetilstander. En ytterligere kompensasjon må da foretas for eventuelle endringer i faktorer mellom den sone som er av interesse og sonen for det frie rør. Hvis likeledes overflatekalibrering blir utført, må kompensasjonen utføres

for å ta i betraktning miljøet nede i borehullet.

Koblingen har vist seg å være avhengig hovedsakelig av kompresjonsimpedansen til materialet utenfor røret og dets fordeling i et tynt vertikalt bånd overfor senderen og mottageren. En effektiv ytre materialimpedans kan bestemmes fra koblingen, som avhenger av både sementimpedansen og fordelingen. Hvis sementstyrken er kjent, kan denne "sementindeksen" beregnes fra den kalibrerte kobling og de tabulerte koblingsreduksjons-verdier som gjelder for vedkommende sementstyrke og foringsdimensjon.

Denne sementindeksen er ikke sterkt avhengig av bindingen og blir dermed mindre forstyrret enn "bindingsindeksen" som er utledet fra dempningen under tilstander med innføring av et vannfylt mikroringrom mellom foring og sement. Når koblingsreduksjon og dempning, eller alternativt sementindeks og bindingsindeks, blir sammenlignet, kan forekomsten av et tynt fluidum- eller gass-fylt makroringrom mellom foring og sement utledes, for makroringrom-tykkelser opptil en kritisk størrelse. Den kritiske størrelse kan reguleres ved å velge arbeidsfrekvensen til sementbindings-loggeapparatet.

Ytterligere modifikasjoner vil også kunne foretas av fagfolk på området, og slike modifikasjoner ansees å falle innenfor rammen av oppfinnelsen som definert i de vedføyde krav.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av egenskaper hos materialet bak foringsrør i et brønnhull, omfattende: Sending av akustiske signaler inn i brønnhullet; mottaking av minst to av de akustiske signalene i brønnhullet, idet signalene tilsvarer forskjellige avstander mellom en sender og en mottaker, karakterisert ved at de akustiske signalene kombineres og at det fra disse utledes (a) et kompensert dempningshastighets-signal som representerer en dempning av det mottatte akustiske signalet frembrakt under forplantning aksialt langs foringsrøret, og (b) et koplingssignal som representerer en dempning av det mottatte akustiske signalet frembrakt under forplantning mellom senderen og foringsrøret og mellom mottakeren og foringsrøret; og ved at egenskapene til materialet bak foringsrøret bestemmes ut fra dempningshastighets-signalet og koplingssignalet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav l, karakterisert ved at en av egenskapene hos materialet bak foringsrøret som bestemmes, er nærværet av materiale.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en av egenskapene hos materialet bak foringsrøret som bestemmes, er materialets akustiske impedans.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en av egenskapene hos materialet bak foringsrøret som bestemmes, er materialets sementindeks.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en av egenskapene hos materialet bak foringsrøret som bestemmes, er bindingen til foringsrøret.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en av egenskapene hos materialet bak foringsrøret som bestemmes, er forekomst av mikroringrom.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at de akustiske signalene som sendes inn i borehullet, har flere frekvenser.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at forskjellige frekvenser benyttes for ytterligere bestemmelse av størrelsen av mikro-ringrommet.

9. Apparat for å bestemme egenskapene hos materialet bak foringsrør i et brønnhull, omfattende: en senderanordning (TU, TL), for å sende akustiske signaler inn i brønnhullet; en mottakeranordning (RI, R2, R3) for å motta minst to akustiske signaler i brønnhullet, idet de minst to akustiske signalene tilsvarer forskjellige avstander mellom en sender i senderanordningen og en mottaker i mottakeranordningen, karakterisert ved en behandlingsanordning for å kombinere de minst to akustiske signalene og derved frembringe (a) et kompensert dempningshastighets-signal som representerer en dempning av det mottatte akustiske signalet frembrakt under forplantning aksialt langs foringsrøret, og (b) et koplingssignal som representerer en dempning av det mottatte akustiske signalet frembrakt under forplantning mellom senderen og foringsrøret og mellom mottakeren og foringsrøret; en anordning for å måle amplituden til det kompenserte dempningshastighets-signalet og koplingssignalet, og en anordning for å bestemme egenskapene hos materialet bak foringsrøret ut fra målingene av amplituden til det kompenserte dempningshastighets-signalet og koplingssignalet.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at de forskjellige sender/ mottakeravstander omfatter avstander på 0,75 m og 1,05 m.

11. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at senderen har en enkelt grunnfrekvens.

12. Apparat ifølge krav 11, karakterisert ved at grunnfrekvensen er 20 kHz.

13. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at senderanordningen tilveiebringer akustiske signaler ved flere frekvenser.