NO177287B - Akustisk transduser, samt borehull-loggingsverktöy - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en akustisk transduser for et borehull-loggingsverktøy, omfattende et flatt, langstrakt piezo-elektrlsk element som har en frilagt side og en andre side, idet det piezoelektriske elementet har en elektrode på hver av nevnte sider; et flatt, langstrakt inert element som har en frilagt side og en andre side, idet nevnte andre side på det piezoelektriske elementet er festet til den andre siden av det inerte elementet; en understøttende masse som er opphengt i nevnte borehull-loggingsverktøy, idet det inerte elementet er hengslet til den understøttende massen; og middel for å tilføre en spenning til nevnte elektroder for å bøye det inerte elementet. Videre vedrører oppfinnelsen et borehull-loggingsverktøy for å undersøke underjordiske formasjoner ved traversering av et borehull fylt med en væske mens der genereres akustiske bølger for refleksjon fra nevnte underjordiske formasjon.

Åpne borehull logges med akustiske pulser til å bestemme hastighetene for kompresjons- og skjærbølger som beveger seg gjennom Jordformasjonene som omgir borehullet. Ved å tidsbestemme bevegelsen av akustiske bølger mellom senderne og mottakerne i et loggingsverktøy, kan naturen av disse omgivende formasjoner bestemmes. TJS-patent nr. 4.516.228 beskriver et loggingsverktøy for å detektere både kompresjons- og skjærbølger.

Monopoltransdusere genererer typisk en kompresjonsbølge ved å generere en trykkpuls på en side av transduser som stråler utad fra transduseren. Bøyertransdusere er typisk monopole transdusere som genererer kompresjonsbølger. US-patentene. nr. 3.363.118 og 3.380.019 omhandler bøyertransdusere for bruk i åpent farvann. Disse transdusere omfatter en plate og et piezoelektrisk materiale som bøyer platen i en bøyer-handling. Platen er festet rundt sin kant, slik som ved hjelp av en støttering i US-patent 3.363.118, slik at når en spenning påtrykkes det piezoelektriske materialet, vil midtpartiet av platen bøye seg. Alternativt anvendes disse transduserne som mottakere som omdanner akustisk energi til et elektrisk signal.

US-patent 4.383.308 omhandler bruken av en bøyertransduser i et borehull-loggingsverktøy. Operas;) onsmil jøene i et borehull og åpent farvann er meget forskjellige, likesom de respektive transmisjonsmedia og tilhørende instrumentering. En transduser anvendt i et loggingsverktøy må være i stand til å operere under høye temperaturer, typisk 149-177°C.

En annen kjent type av akustisk transduser betegnes som en "bøyerstang"-transduser, slik som den som produseres av Honeywell, Inc., og omfatter en stabel av flate piezoelektriske elementer som er understøttet ved en ende. Når en spenning tilføres, vil den andre enden av stabelen bevege seg til å frembringe en monopol energipuls. En måte å anvende bøyerstangtransduser i et loggingsverktøy ville være å tilveiebringe en sirkulær oppstilling av slike anordninger, med hver bøyerstangstabel frembringende energi som stråler utad fra verktøyet. Imidlertid gir begrensningene for et loggingsverktøy ikke nok rom for en slik oppstilling av kilder. Industristandardloggingsverktøyet er 9,2 cm i diameter, hvilket i alvorlig grad begrenser størrelsen av transduseren.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en bøyertransduser som ville passe inn i et loggings-verktøy av industristandard, og som ville motstå de alvorlige betingelser som hersker ved borehull-logging.

Det er et annet formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en bøyertransduser som vil utstråle en dipol-bølge med positive trykkpulser på en side av transduseren, og negative trykkpulser på den andre siden av transduseren.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter den innledningsvis nevnte akustiske transduseren en avdeling fylt med koblingsfluidum innenfor hvilket det piezoelektriske elementet, det inerte elementet og støttemassen er anbragt, hvorved, når det inerte elementet bøyes, en bipolar akustisk bølge genereres inn i koblingsfluidumet ved hjelp av nevnte frilagte side av det piezoelektriske elementet og nevnte frilagte side av det inerte elementet, og lydskjermer på nevnte understøttende masse for å adskille den akustiske energien som genereres inn i nevnte koblingsvæske ved hjelp av nevnte frilagte side av nevnte piezoelektriske element og nevnte frilagte side av nevnte inerte element.

Når en spenning påtrykkes elektrodene av det piezoelektriske elementet, vil det inerte elementet bøye seg om hengslene til å frembringe en dipol-skjærbølge i fluidumet som omgir loggingsverktøyet. Alternativt kan selvfølgelig transduseren ifølge den foreliggende oppfinnelse anvendes som en mottaker til å omdanne akustisk energi til et elektrisk signal.

Ytterligere utførelsesformer av transduseren fremgår av det etterfølgende kravsett.

Transduseren ifølge oppfinnelsen har fordelene med kompakt størrelse, gode frekvenskarakteristika, god temperatur-stabilitet og kraftighet, hvilket totalt gjør den særlig egnet for bruk i et borehull-loggingsverktøy.

Det innledningsvis nevnte borehull-loggingsverktøy kjenne-tegnes, ifølge oppfinnelsen ved minst en akustisk sender for å generere akustiske bølger inn i nevnte underjordiske formasjon; og en akustisk mottager for å motta akustiske bølger som reflekteres av nevnte underjordiske formasjon, og at den eller hver akustisk sender omfatter en transduser som angitt ovenfor.

I de vedlagte tegninger vises et eksempel av oppfinnelsen.

Fig. 1 viser et brønnloggingssystem med et loggingsverktøy i

et borehull.

Fig. IA viser loggingsverktøyets transduser.

Fig. 2 er er perspektivriss av transduseren.

Fig. 3 er et bunnplanriss av en transduser med to piezoelektriske elementer.

Fig. 3A er et snitt langs linjen 3A-3A i fig. 3.

Fig. 4 er et enderiss av støtterammen.

Fig. 5 er et enderiss av transduseren.

Fig. 6 viser de elektriske forbindelser til transduseren.

I fig. 1 omfatter det akustiske brønnloggingssystemet et langstrakt loggingsverktøy 10 som er opphengt fra en kabel 11 i et borehull 12 som traverserer en underjordisk formasjon 14 av interesse. Formasjonen 14 kan være en forventet olje-eller gassbærende formasjon som skal karakteriseres med hensyn til dens porøsitet, fluidumsmetning, eller slik annen informasjon som måtte være. ønskelig. Brønnen 12 er fylt med en væske, slik som boreslam 16. Loggingsverktøyet 10 omfatter akustiske sendere 17 og 18 og den akustiske mot-takeren 19.

Signaler fra loggingsverktøyet 10 sendes opp langs hullet ved hjelp av lederne i kabelen 11 til et brukersystem omfattende kontrollkretser 22 og registrator 24. Et dybdeindikerings-middel, slik som et målehjul, frembringer et dybdesignal som tilføres registratoren 24 for at utmatningen fra kontroll-kretsen 22 kan korreleres med dybde.

Som vist i fig. IA, omfatter senderen 17 en bøyertransduser 25 som har et flatt langstrakt piezoelektrisk element 26 festet til et flatt, langstrakt inert element 27, som er typisk en aluminiumsplate. Platen er montert ved begge ender til en støttemasse eller ramme 28. Vikom-gummistropper 29-32 bevirker oppheng av transduseren i transduserrommet dannet av paneler 33 og 34 og beskyttende hylster 35 av neopren-gummi. Transduserrommet fylles med en passende koplingsvæske som har en akustisk impedans nær den for væsken i borehullet.

Som vist i fig. 2 og 3 er elementet 26 montert på elementet 27 som i sin tur er festet ved hver ende til rammen 28. Rammen 28 har lydskjermer 36 og 37 som akustisk adskiller de frilagte overflater av transduseren. Fiberglasslag 38 og 39 binder det inerte elementet 27 til endene 40 og 41 av rammen 28. Disse ender virker som hengsler når en spenning som tilføres elektrodene 42 og 43 bevirker det inerte elementet til å bøye seg.

Rammen 28 er rektangulær, med en rektangulær åpning, med endene 40 og 41 anbragt på motsatte sider relativt den rektangulære åpningen. Disse ender vris i en hengsel-lignende bevegelse ettersom det inerte elementet 27 bøyer seg som reaksjon på tilført spenning. Dette frembringer en bipolar akustisk bølge når den frilagte, øvre overflaten av elementet 26 frembringer en positiv trykkpuls og den nedre, frilagte overflaten av elementet 27 (fig. 2) frembringer en negativ trykkpuls, eller omvendt.

Fig. 3-5 viser en utførelsesform hvor et annet piezoelektrisk element 26a er montert på undersiden av det inerte elementet 27 mellom elementet 27 og rammen 28. Like henvisningstall, eller henvisningstallene med "a" knyttet til disse, angir like komponenter til hva som er vist i utførelsesformen som er beskrevet med henvisning til fig. 2. I denne utførelses-form er en overflate av hvert piezoelektriske element frilagt og den andre overflaten er festet til det inerte elementet.

De to frilagte overflatene av det piezoelektriske elementet genererer respektivt positive og negative trykkpulser for å frembringe en bi-polar akustisk bølge. Fig. 3A viser en viktig funksjon av lydskjermene 36 og 37. Disse lydskjermer separerer akustisk de to frilagte overflater av elementene. Den genererte akustiske energien må ta den bane som er angitt med de stiplede linjer 44. Uten denne akustiske lydskjermning, ville den akustiske energien ta den korteste banen mellom de to frilagte overflatene og ville ikke generere den ønskede akustiske bølgen. Fig. 6 viser de elektriske forbindelser til de to piezoelektriske elementene 26 og 26a. En vekselspenning tilføres de to motstående overflater av de piezoelektriske elementene. Spenningen på én side er positivt-gående mens den andre er negativt-gående og omvendt. Dette resulterer i at elementet 26 komprimeres og elementet 26a utvides under en halvperiode, og omvendt under den andre halvperloden. Dette forsterker bøyningen av det inerte elementet 27. Ved å tilføre en vekselspenning med den riktige frekvens, blir en akustisk bølge på den ønskede frekvensen frembragt.

Visse dimensjoner av transduseren er kritiske for generer-ingen av den akustiske bølgen på den ønskede frekvensen. Eksempelvis må bredden av endene 40 og 41 på rammen, målt fra utsiden av rammen til kanten av den rektangulære åpningen, velges korrekt til å gi den ønskede hengsel-lignende bevegelsen. I tillegg bør bredden av avstanden 45 (fig. 3) mellom kanten av rammen og kanten av det inerte elementet være tilstrekkelig liten, slik at væske ikke lett passerer gjennom åpningen uten frembringe den ønskede bølgen. Samtidig bør åpningen vær stor nok, slik at uønsket viskøs dempning ikke opptrer.

I en praktisk utførelsesform var de piezoelektriske elementene 26 og 26a av 10 cm PZT-4 materiale levert av EDO Western

Corporation, Salt Lake, Utah, USA, mens hvert av elementene 26 og 26a var 3,2 cm tykt, kuttet til 3,8 cm bredder, og ble bundet til inert element 27 med et lag av fiberglass. Inert element 27 var et 15,6 x 3,8 x 0,6 cm stykker av aluminiums-type 6061-T6. Ledere av #26 tråd ble festet til elektroden og elementene ble anbragt i DC 170 A & B. Kapasitansen var 0,0145 mikrofarad. Rammen 28 var kaldvalset stål med de følgende dimensjoner vist i fig. 3 og 4.

En likespenning inntil 1000 volt RMS ble tilført transduseren ved ca. 1 KEz. Den ønskede 1 KHz akustiske bølgen ble frembragt.

Claims (8)

1. Akustisk transduser (25) for et borehull-loggings-verktøy (10), omfattende: (a) et flatt, langstrakt piezoelektrisk element (26) som har en frilagt side og en andre side, idet det piezoelektriske elementet har en elektrode (42, 43) på hver av nevnte sider, (b) et flatt, langstrakt inert element (27) som har en frilagt side og en andre side, idet nevnte andre side på det piezoelektriske elementet er festet til den andre siden av det inerte elementet, (c) en understøttende masse (28) som er opphengt i nevnte borehull-loggingsverktøy (10), idet det inerte elementet (27) er hengslet til den understøttende massen (28), (d) middel for å tilføre en spenning til nevnte elek troder (42, 43) for å bøye det inerte elementet (27), karakterisert ved(e) en avdeling fylt med koblingsfluidum innenfor hvilket det piezoelektriske elementet (26), det inerte elementet (27) og støttemassen (28) er anbragt, hvorved, når det inerte elementet (27) bøyes, en bipolar akustisk bølge genereres inn i koblingsfluidumet ved hjelp av nevnte frilagte side av det piezoelektriske elementet (26) og nevnte frilagte side av det inerte elementet (27), og (f) lydskjermer (36, 37) på nevnte understøttende masse (28) for å adskille den akustiske energien som genereres inn i nevnte koblingsvæske ved hjelp av nevnte frilagte side av nevnte piezoelektriske element (26) og nevnte frilagte side av nevnte inerte element (27).

2. Transduser som angitt i krav 1, karakterisert ved at der finnes to lydskjermer (36, 37), hver anbragt i alt vesentlig parallelt med den langsgående aksen for det piezoelektriske elementet (26) og det inerte elementet (27).

3. Transduser (25) som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den understøttende massen (28) omfatter en generelt rektangulær ramme, idet det inerte elementet (27) er festet til rammen ved begge ender av nevnte element (27), og det piezoelektriske element (26) og det inerte elementet (27) er frilagt av rammen.

4. Transduser (25) som angitt i krav 3, karakterisert ved at rammen strekker seg rundt en rektangulær åpning, idet motstående ender av det inerte elementet (27) er festet til respektive ender på rammen på motsatte sider av nevnte rektangulære åpning, idet endene av rammene vrir seg når det inerte elementet (27) bøyer seg.

5. Transduser (25) som angitt i krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at et rom (45) er til-veiebragt mellom en kant på den understøttende massen (28) og en kant på det inerte elementet (27).

6. Transduser (25) som angitt i et hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved at det piezoelektriske elementet (26) er festet til den andre siden av det inerte elementet (27), og at dessuten et ytterligere piezoelektrisk element (26a) er festet på en side til nevnte motsatte side av det inerte elementet (27), slik at nevnte motstående side ikke lenger er frilagt, og den andre siden av det ytterligere piezoelektriske elementet (26a) er frilagt.

7. Transduser (25) som angitt i krav 6, karakterisert ved at et av de piezoelektriske elementene (26, 26a) komprimerer når en spenning tilføres, og det andre utvider seg til å utføre en bøyende bevegelse på det inerte elementet (27).

8. Borehull-loggingsverktøy (10) for å undersøke underjordiske formasjoner (14) ved traversering av et borehull (12) fylt med en væske (16) mens der genereres akustiske bølger for refleksjon fra nevnte underjordiske formasjon (14), karakterisert ved : (a) minst en akustisk sender (17, 18) for å generere akustiske bølger inn i nevnte underjordiske formasjon (14), (b) en akustisk mottager (19) for å motta akustiske bølger som reflekteres av nevnte underjordiske formasjon (14), og at den eller hver akustisk sender omfatter en transduser som angitt ovenfor i et hvilket som helst foregående krav.