NO173671B - Akustisk broennlogginsfremgangsmaate for aa bestemme dempningen av akustisk energi i en underjordisk formasjon som omgir et borehull - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en akustisk brønnloggings-fremgangsmåte for å bestemme dempningen av akustisk energi i en underjordisk formasjon som omgir et borehull.

Det har lenge vært kjent å logge åpne borehull for å måle akustisk bølgeenergi som vandrer gjennom bergartformasjoner som befinner seg hosliggende borehullet. Loggingsanordninger som er blitt anvendt for dette formål omfatter normalt en lydkilde (sender) og en eller flere mottakere anbragt ved forutvalgte avstander fra lydkilden. Ved måling av vandre-tiden for slike akustiske bølger mellom senderen og en eller flere mottakere, er det normalt mulig å bestemme naturen av omgivende bergartformasjoner. Ved logging av løst konsoli-derte formasjoner er det imidlertid ofte vanskelig å skille mellom kompresjons-, skjær-, rør- og sekundærbølger som kan omfatte deler av et bølgetog som ankommer til en gitt mottaker. Bruken av flere fjerntliggende og adskilte mottakere er derfor blitt foreslått for å hjelpe til med å skille mellom ankomne bølgefronter og støy i systemet. Flere mottakere tillater gjenkjennelsen av lignende bølgemønstre og bølgefronter som er mottatt ved hver suksessiv mottaker. Ettersom vandretid-differensialer øker med økende avstand fra senderkilden, vil bølgefronter og mønstre som er tett adskilt ved nære mottakersteder bli separert med tiden for deres mottakelse på fjerntliggende mottakersteder.

Forskjellige metoder for signaltidsbestemmelse og bølgefront-analyse er også blitt foreslått for å skille mellom bølge-fronter mottatt på en gitt mottaker. De fleste av disse metoder involverer tidsbestemmelseskretser som antesiperer mottakelsen av, og letter 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-patent nr. 3.333.238, US-patent nr. 3.362.011, US Reissue Patent nr. 24.446, og US-patent nr. 4.383.308.

Ved konstruksjonen av loggingsverktøy er forskjellige typer av sendere, slik som piezoelektriske eller magnetostriktive sendere blitt foreslått for å skape akustiske loggings-signaler. For konvensjonelle loggingsoperasjoner er de fleste sendere blitt sentralt plassert i borehullet, og er blitt tilpasset for å generere lyd som utstråles i et flerveis (360° ) mønster fra senderen til hosliggende brønnhulloverflater.

Nylig er oppmerksomhet blitt rettet mot utvikling av sendere som er spesielt egnet for enkeltpunktkraft-tilførsel av akustisk energi til borehul1veggen. Teorien bak punktkraft-sendere er at de produserer et asymmetrisk, akustisk energi-strålingsmønster i motsetning til nevnte flerveis strål-ingsmønster.

En slik punktkraftsender er den bøye-type sender som er omhandlet i Canadisk patent nr. 1.152.201.

Den foreliggende oppfinnelse søker å tilveiebringe en brønnloggingsmetode for å bestemme dempningen av akustiske rørbølger i en underjordisk formasjon langs en borehullvegg. Slik dempning er et mål på Q, av og til benevnt "godhets-faktor" for formasjonen som omgir borehullet. Nærmere bestemt er Q'en for en formasjon som bestemmer hvor hurtig en akustisk bølge vil bli dempet når den beveger seg gjennom formasjonen.

Den innledningsvis nevnte fremgangsmåte kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen, ved trinnene: a) å traversere et borehull med et brønnloggingsverktøy som inneholder en akustisk sender og minst en adskilt mottaker, idet nevnte brønnloggingsverktøy har to motsatte ender og derved danner et resonanshulrom mellom loggings-verktøyet og borehullets vegg, b) å eksitere nevnte sender med et tonestøt under en initiell del av en fast tidsperiode til å bevirke nevnte sender til

å svinge og generere aku4stiske, stående rørbølger,

c) å fjerne eksiteringen av nevnte sender under en avsluttende del av nevnte faste tidsperiode, hvorved

amplitudene av nevnte rørbølger bygger seg opp til en stabil tilstandsverdi under nevnte initielle del av nevnte tidsperiode og avtar fra nevnte verdi over den avsluttende

del av nevnte tidsperiode,

d) å registrere amplitudene av nevnte rørbølger på nevnte mottaker under minst den avsluttende del av nevnte

tidsperiode, og

e) å bestemme mengden av dempning av nevnte rørbølger i den underjordiske formasjon langs borehullveggen fra hensvinningstakten for nevnte registrerte rørbølgeamplituder.

I en ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten blir dempningen av rørbølgene bestemt ved (i) å plotte logaritmen av amplitudetoppen av hver syklus av rørbølgene mot syklustallet over en viss del av de registrerte rørbølgene, og (ii) å bestemme dempningen av nevnte rørbølger fra helningen av nevnte logaritmiske plotting avav rørbølgeampli-tuder. Ved nevnte trinn (ii) er det fordelaktig (iii) å bestemme verdien av den negative inverse av helningen av nevnte logaritmiske plotting for rørbølgeamplituder, og (iv) å multiplisere nevnte verdi av den negative inverse av helningen av nevnte logaritmiske plotting med n.

Dessuten kan fremgangsmåten innbefatte trinnene:

f) å gjenta trinnene (a) t.o.m. (d) over en flerhet av nevnte faste tidsperioder, g) å stable amplitudene av rørbølgene som er registrert på nevnte mottaker over nevnte flerhet av faste tidsperioder,

og

h) å utføre et trinn (e) til å bestemme mengden av dempning av amplituden av nevnte rørbølger fra hensvinningstakten

for nevnte stablete rørbølgeamplituder.

Frekvensen av nevnte tonestøt er fortrinnsvis under ca. 1,5 kHz for derved å bevirke nevnte sender til å generere dominante akustiske rørbølger, og nevnte tonestøt kan lages som en stabil-tilstands bølge eller utformes som en sinus-bølge.

I tillegg kan fremgangsmåten omfatte trinnene:

j) å registrere amplituden av nevnte rørbølger ved en flerhet av adskilte mottakere under den avsluttende del av nevnte

tidsperiode,

k) å velge mottakeren i nevnte flerhet av mottakere som registrerte den største amplituden for nevnte rørbølger

under den avsluttende del av nevnte tidsperiode, og

1) å utføre trinn (e) til å bestemme dempningsmengden for nevnte rørbølger i nevnte formasjoner fra hensvinningstakten for amplituden av rørbølgene fra nevnte valgte mottaker.

Trinn (k) innbefatter fortrinnsvis å identifisere mottakeren som er plassert nærmest et antiknutepunkt på nevnte rørbølge langs borehullet. Dessuten vil det være fordelaktig å plassere nevnte flertall av mottakere ved likt adskilte posisjoner som er hele tall av halve bølgelengder av nevnte rørbølger. Fig. 1 viser skjematisk et akustisk borehull-loggingssystem som kan anvendes for utførelse av fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 og 3 viser henholdsvis konfigurasjonen og virkningen av senderen i det akustiske borehull-loggingssystemet i fig- 1. Fig. 4 viser et sinusbølge tonestøt som er anvendbart for å

eksitere den akustiske senderen i fig. 1.

Fig. 5 viser en akustisk rørbølge registrert på mottakeren i

fig. 1 som reaksjon på sinusbølgetonestøtet i fig. 4. Fig. 6 er en logaritmisk plotting av hver amplitudetopp av den registrerte rørbølgen i fig. 5 relativt syklustall. Fig. 7 viser systemet i fig. 1 innbefattende en flerhet av

likt adskilte akustiske mottakere.

På tegningene er vist et loggingssystem som innbefatter et langstrakt loggingsverktøy 10 som er opphengt i en kabel 11 innenfor et borehull 12 som traverserer en underjordisk formasjon 14 som er av. Formasjonen 14 kan være en forventet olje-gass bærende formasjon som skal kjennetegnes hva angår dens porøsitet, fluidumsmetning, eller slik annen informasjon som måtte være ønskelig.. Brønnen 12 fylles med en væske, slik som boreslam, angitt med henvisningstall 16. Loggings-verktøyet 10 omfatter en akustisk sender 17 og minst en akustisk mottaker 19. Senderen 17 tar fortrinnsvis form av en transduser av enten en bøyer-type eller en bøyningsplate-type, som beskrevet i nærmere detalj i det etterfølgende, mens mottakeren 19 kan være en hvilken som helst av flere typer av hydrofoner eller keramiske sylinderanordninger som anvendes i konvensjonelle lydloggingsverktøy.

Signaler fra loggingsverktøyet 10 sendes opp til overflaten ved hjelp av ledere i kabelen 11 til et hvilket som helst passende brukssystem på overflaten. Eksempelvis omfatter det viste brukssystem en på overflaten anbragt analyse og styrekrets 22 og registrator 24 for at utmatningen fra kretsen 22 kan korreleres med dybde.

Loggingsverktøyet kan beveges gjennom brønnen med en hvilken som helst passende takt mens det opereres til å generere og motta de akustiske pulser. Typisk vil verktøyet bli senket til bunnen av intervallet som skal logges og så trekkes oppad under 1 ogg i ngsmå lingene med en hastighet som er minst 6 m/min. Noe større loggingshastigheter, f.eks. 18 m/min., kan normalt anvendes.

Som bemerket tidligere blir akustiske pulser fortrinnsvis frembragt ved hjelp av en transduser av en bøye-type eller en bøyningsplate-type. Transdusere av bøyer-typen er i seg selv velkjente og har den form som er beskrevet av Sheridan, C.A., et al. i "Bender Bar Transducers For Low-Frequency Underwater Sound Sources", presentert under det 97'ende møte i "The Acoustical Society of America", Cambridge, Massachusetts, USA, 15. juni 1979. En slik transduser er tilgjengelig kommersielt fra Honeywell Defense Electronics Division, Seattle, Washington, USA, som modell HX-8B med resonansfrekvenser på 0,5 og 1,2 kHz og fra Actran Systems, Orlando, Florida, USA som bøyningsplatekilde med en resonansfrekvens på 1,2 kHz. Ser man nå på fig. 2, er der vist et forstørret riss av en transduser av bøyertypen anvendt som senderen 17 i fig. 1. En slik transduser 30 omfatter et par bøyerstenger 31 og 32. Stangen 31 består av en mosaikkonfigurasjon av mindre individuelle stenger 33, og stangen 32 er på tilsvar-ende måte omfattet av et flertall av individuelle stenger 34. De to stengene 31 og 32 er montert mellom felles støtte-organer 35 og 36. Denne konstruksjonstype tillater stengene å bli drevet på et flertall av frekvenser for" å gi en sinus-bølgeutmatning av god kvalitet sammenlignet med de større bøyertransdusere av plate-typen.

Bøye-prinsippene for bøyer-type transduseren er vist i detalj i fig. 3. Bøyningsvirkningen hos stengene 31 og 32 oppstår fra polarisasjonsretningen for hver individuelle stang 33 og 34 med hensyn til hosliggene stenger 33 og 34, som angitt med pilene. Eksempelvis kan de to piezoelektriske elementene bøye seg utad og innad sammen for å gi en kompresjons og/eller rørbølge i brønnhullet. En slik sender av bøyer-typen er konstruert til å ha et antall av karakteristiske resonansfrekvenser mellom noen få hundre Hz og flere kHz,, slik som fra ca. 100 Hz til ca. 50 kHz. Som reaksjon på tilførselen av en vekselstrøm med fast frekvens, vil senderen svinge på en enkelt av slike karakteristike resonansfrekvenser. Man har funnet at det spesielle området av karakteristiske frekvenser som anvendes styrer vibrasjons-modusen som genereres i en formasjon. En dominant rørbølge-modus ble observert under ca. 1,5 kHz i en akustisk loggings-operasjon som anvendte en Honeywell HX8-B transduser av bøye-typen, energisert som vist i den etterfølgende tabell, og med en enkelt mottaker adskilt 4,6 m fra senderen.

Det kan ses fra tabellen at rørbølgefrekvensen er ca. lik drivfrekvensen for senderen under ca. 1,5 kHz. En kompre-sjonsbølge ble observert mellom ca. 1,5 kHz og 10 kHz, og både en rørbølge og en kompresjonsbølge ble observert over ca. 10 kHz.

Som bemerket ovenfor kan en transduser av bøyningsplate-typen anvendes i den lavfrekvente, akustiske senderen 12. En særlig egnet transduser av bøyningsplate-typen er den radielt drevne bøyningsplateanordningen som er beskrevet i US-patent nr. 3.363.118.

Ved utførelse av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse for å måle rørbølgedempning i en underjordisk formasjon, drives senderen av et tonestøt i stedet for en konvensjonelt enkelt impuls. Dette tonestøt er fortrinnsvis en sinusbølgedrivende strøm. Kommersielle anordninger er tilgjengelige for generering av sinusbølgetonestøt, slik som modell 7060 Generator, levert av Exact Electronics, Hills-boro, Oregon, USA og med en modell MC 2500 Power Amplifier, levert av Mclntosh Laboratory, Binghamton, New York, USA. Amplituder 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 med lang avstand i borehull-loggings-verktøy.

Et slikt typisk sinusbølgetonestøt er vist i fig. 8. Denne tonestøteksitering av senderen medfører genereringen av en rørbølge som ankommer på mottakeren i den form som er vist i fig. 5. Over en initiell del T^ av en fast tidsperiode, blir senderen kontinuerlig eksitert av stabil-tilstands, sinus-bølge tonestøtet i fig. 4. Under denne samme initielle del av Ti, bygger den mottatte rørbølgen seg opp til en stabil-tilstands amplitude. Etter at sinusbølgetonestøtet avsluttes, avtar den mottatte rørbølgen over en avsluttende T2 av den faste tidsperioden.

Fortrinnsvis er den første delen T^ og den avsluttende del T2 av den faste tidsperiode begge i størrelsesorden 20-25 ms. Således kreves en fast tidsperiode lik ca. 40-50 ms for å registrere en rørbølgeopptegning som vist i fig. 5. Dette tillater en repetisjonstakt lik ca. 20 rørbølgeopptegnings-registreringer pr. sekund. Under anvendelse av konvensjonelle stablingsmetoder kan en stablet opptegning regi-streres i digital form ved brønnhullintervaller lik 0,3 m med konvensjonelle loggingshastigheter av flere tusen fot pr. time. Stabil-tilstandsbølgen i fig. 6 har kjennetegnene for en stående bølge ved avstander som ikke er langt fra senderen. Responsen hos senderen har en fast fase med hensyn til den sendte bølgen. Når drivtonestøtet avsluttes, vil responsamplituden ved mottakeren avta eksponensielt som en stående bølge ville ha gjort.

Q-verdien for formasjonen kan bestemmes fra rørbølgeopp-tegningen i fig. 5 ved å behandle den som en stående rørbølge og å anvende enkel harmonisk oscillatorteori. Energi som går tapt ved stråling langs brønnhullet ignoreres. Der er intet strålingstap vekk fra brønnhullet ettersom rørbølgeenergien er radielt begrenset av brønnhulloverflaten. Reduksjonen i amplitude som skaper med den 0'te syklus i fig. 5 kan tilpasses velkjente bevegelsesligninger for en dempet harmonisk oscillator:

Løsningen i ligning (1) har formen: hvor

og $ er en fasevinkel..

Ligning (2) uttrykker vibrasjonsamplituden for en enkel harmonisk oscillator under virkningen av en dempningskraft cx. Som en første tilnærming beskriver den hensvinningen av en stående rørbølge under virkningen av dempning knyttet til Q. Maksimum i x opptrer over like intervaller av t som er de samme som perioden T for oscillatoren. Det kan videre vises at forholdet mellom suksessive maksima er (J. P. den Hartog, "Mechanical Vibrations", McGraw-Hill, New York (1940), side 52 ):

Amplitudeforholdet mellom suksessive maksima passer til forholdet:

hvor § er det logaritmiske dekrement. Det følger at: hvor s og n er syklustall som er tellet fra tidspunktet for avkutting av tonestøtet med s>n.

Ifølge ligningene (6) og (7), kan Q bestemmes ved å plotte logaritmen for hver amplitudetopp mot dens syklustall over et visst område av sykluser s-n. Q er den negative inverse av helningen av denne plotting multiplisert med jt.

Fig. 6 viser en logaritmisk plotting av denne type for de hensvinnende data i fig. 5. Helningen av denne plotting gir Q = 17. I praktiske feltoperasjoner digitaliseres mottaker-dataene på stedet og lagres på magnetbånd. Q bestemmes ved å finne den beste minste-kvadraters pasning av de logaritmiske data over et valgt antall av sykluser.

Stabil-tilstands rørbølgen oppviser knutepunkter og anti-knutepunkter langs brønnhullet. Beste resultater for hensvinningsmålinger oppnås ved mottakersteder nærmest et antiknutepunkt hvor rørbølgevibrasjonen er størst. Anti-knutepunktene vil være plassert med helt antall av halve bølgelengder over eller under senderen. Bølgelengdene varierer langs brønnhullet i henhold til forholdet:

hvor X er bølgelengde, v er hastighet, og f er frekvensen hos stabil-tilstandsrørbølgen. Ettersom f er konstant gjennom et helt loggingsforløp, er X proporsjonal med v. Typisk faller rørbølgehastighetene i området 600-800 m/sek. Ved frekvenser nær 1 kHz kan derfor den halve bølgelengde variere over området 0,3 til 0,9 m. Ved lavere frekvenser vil varia-sjonene være proporsjonalt større. For å kunne ivareta disse effekter, er det ønskelig å ha en oppstilling av flere likt adskilte mottakere, slik som i fig. 8. En typisk avstand ville være mellom 0,15 og 0,3 m. Mottakeren som gir den største rørbølgeamplituden kan så velges for hensvinnings-målingene.

Claims (10)

1. Akustisk brønnloggingsfremgangsmåte for å bestemme dempningen av akustisk energi i en underjordisk formasjon som omgir et borehull, karakterisert ved trinnene: a) å traversere et borehull med et brønnloggingsverktøy som inneholder en akustisk sender og minst en adskilt mottaker , b) å eksitere nevnte sender med et tonestøt under en initiell del av en fast tidsperiode til å bevirke nevnte sender til å svinge og å generere akustiske, stående rørbølger, c) å fjerne eksiteringen av nevnte sender under en avsluttende del av nevnte faste tidsperiode, hvorved amplitudene av nevnte rørbølger bygger seg opp til en stabil-tilstandsverdi under nevnte initielle del av nevnte tidsperiode og avtar fra nevnte verdi over den avsluttende del av nevnte tidsperiode, d) å registrere amplitudene av nevnte rørbølger på nevnte mottaker under minst den avsluttende del av nevnte tidsperiode, og e) å bestemme mengden av dempning av nevnte rørbølger i den underjordiske formasjon langs borehullveggen fra hensvinningstakten for nevnte registrerte rørbølgeamplituder.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte trinn (e) omfatter trinnene: (i) å plotte logaritmen av ampi itudetoppen av hver syklus av nevnte rørbølgene mot syklustallet over en viss del av nevnte registrerte rørbølger, og (ii) å bestemme dempningen av nevnte rørbølger fra helningen av nevnte logaritmiske plotting av rør-bølgeamplituder .

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte trinn (ii) omfatter trinnene: (iii) å bestemme verdien av den negative inverse av helningen av nevnte logaritmiske plotting for rørbølgeamplituder, og (iv) å multiplisere nevnte verdi av den negative inverse av helningen av nevnte logaritmiske plotting med n.

4 . Fremgangsmåte som angitt i ett hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved dessuten å innbefatte trinnene: f) å gjenta trinnene (a) t.o.m. (d) over en flerhet av nevnte faste tidsperioder, g) å stable amplitudene av rørbølgene som er registrert på nevnte mottaker over nevnte flerhet av faste tidsperioder, og h) å utføre et trinn (e) til å bestemme mengden av dempning av amplituden av nevnte rørbølger fra hensvinningstakten for nevnte stablete rørbølgeamplituder.

5 . Fremgangsmåte som angitt i ett hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved at frekvensen av nevnte tonestøt er under ca. 1,5 kHz for derved å bevirke nevnte sender til å generere dominante akustiske rørbølger.

6. Fremgangsmåte som angitt i ett hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved at nevnte tonestøt lages som en stabil-tilstands bølge.

7. Fremgangsmåte som angitt i ett hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved at nevnte tonestøt utformes som en sinusbølge.

8. Fremgangsmåte som angitt i ett hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved dessuten å omfatte trinnene: j) å registrere amplituden av nevnte rørbølger ved en flerhet av adskilte mottakere under den avsluttende del av nevnte tidsperiode, k) å velge mottakeren i nevnte flerhet av mottakere som registrerte den største amplituden for nevnte rørbølger under den avsluttende del av nevnte tidsperiode, og 1) å utføre trinn (e) til å bestemme dempningsmengden for nevnte rørbølger i nevnte formasjoner fra hensvinningstakten for amplituden av rørbølgene fra nevnte valgte mottaker.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at trinn (k) innbefatter trinnet å identifisere mottakeren som er plassert nærmest et antiknutepunkt på nevnte rørbølge langs borehullet.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert ved trinnet å plassere nevnte flertall av mottakere ved likt adskilte posisjoner som er hele tall av halve bølgelengder av nevnte rørbølger.