NO179497B - Fremgangsmåte og apparat for utförelse av akustiske undersökelser i et borehull - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår leting etter kilder for hydrokarboner, og spesielt slik leting ved akustiske undersøkelser av egenskapene til den formasjon som gjennomskjæres av et borehull. Mer spesielt er denne oppfinnelsen rettet mot et apparat og en fremgangsmåte for å sende et akustisk signal inn i formasjonen, og for å detektere det akustiske signal med en detektor på et annet sted etter at signalet har forplantet seg gjennom formasjonen.

Etter at en brønn er boret, blir vanligvis et antall vaier-logger tatt opp for å vise visse fysiske karakteristikker i formasjonen. Det er typisk å utføre undersøkelser basert på ledningsevne, nøytronstråling og gammastråling, "trippel-kombinasjon", for å oppnå tilstrekkelig informasjon til å utlede verdier for formasjonens porøsitet og vann-metning. Når man ønsker ytterligere informasjon utfører man ofte en sonisk undersøkelse for å oppnå en annen verdi for porøsitet, forplantningshastigheten for lyd i formasjonen, og informasjon om formasjonens elastiske egenskaper. Informa-sjonen som er tilgjengelig fra den soniske logg er brukbar for et antall anvendelser, inkludert brønn til brønn-korrelasjon, bestemmelse av porøsitet, bestemmelse av mekaniske eller elastiske parametere i formasjonen og dermed en indikasjon av litologi, detektering av soner med overtrykk i formasjonen, og omforming av en seismisk tidskurve til en dybdekurve fra informasjon basert på lydens hastighet i formasjonen.

Mens vaier-logger tidligere har vært den eneste metoden til å fremskaffe slik formasjonsinformasjon på stedet, har ny utvikling i oljefeltenes service-industri frembrakt alterna-tiver til trippel-kombinasjonens vaier-målinger: nemlig resistivitet, nøytron- og gammastråle-densitetsmålinger utført på borestrengen under drilling: "MWD-trippelkombinasjon". Tidligere har ikke oljefeltenes serviceindustri utviklet et "under boring" alternativ til den fjerde og mest brukte logg, nemlig den soniske logg.

Grunnprinsippet med den soniske logg er at et akustisk signal blir generert ved en sendertransduser, signalet forplanter seg gjennom formasjonen til minst en mottager-transduser, og den første ankomst blir detektert. Ved at man vet tiden for transmisjonen og tiden for den første ankomst av akustisk energi ved mottageren etter å ha passert gjennom formasjonen, kan man regne ut forplantningstiden for signaler gjennom formasjonen, som kalles intervall-transittiden, At.

At kan så bli brukt i Wyllie ligningen for tidsgjennomsnitt,

At <=><At>fast(l-ø) + Atfluid(ø)

til å oppnå porøsiteten ø. A<t>fast og A<t>fluid er kjent fra forut bestemt kunnskap om lydens forplantningshastighet i forskjellige stenarter og fluida, og ved at man kjenner typen av stein og fluidum i det området hvor undersøkelsene blir gjort. Som et alternativ til Willies formel for gjennomsnittstid, kan man benytte den nyere "Raymer, Hunt, Gardner" formel.

For at et sonisk verktøy skal være i stand til å detektere den første ankomst fra formasjonen, må det detekterte signal være helt fri for energi som er sendt fra senderen inn i verktøylegemet, og som har forplantet seg gjennom verktøy-legemet til mottager-stedet. Siden forplantningshastigheten for lyd i verktøylegemet, som normalt vil være stål, kan være meget høyere enn i formasjonen, vil signalet som forplanter seg gjennom verktøylegemet alltid komme før signalet fra formasjonen. Man har utviklet teknikker i vaier-logging industrien for å dempe og/eller forsinke signalet som forplanter seg gjennom verktøyet, slik at ankomsten fra formasjonen kan detekteres uten særlige forstyrrelser fra signalet gjennom verktøyet. I slike vaier-undersøkelser, trenger ikke verktøyet å virke som en belastet del, slik at det har vært mulig å utforme et system av forskjøvne åpninger gjennom bredden av verktøyhusets sidevegg. Disse åpningene tjener til å forlenge den totale banelengde som et akustisk signal å følge når det forplanter seg gjennom huset, slik at signalet over et bredt frekvensområde ikke bare blir forsinket ved krysning av hullene, men blir også dempet som et resultat av den økede banelengde og signalspredningen som forårsakes av åpningene.

US patenter nr. 3,191,143; 3,190,388; 3,271,733; 3,493,921; 3,381,267; og 3,213,415 viser alle tidligere forsøk på å løse problemet med forplanting av signalet langs verktøy-legemet. Hvert av disse patentene for tidligere kjent teknikk frembringer teknikker som bygger på at man skaper en vanske-ligere eller lengre banelengde for signalet gjennom verktøyet, og dermed forårsaker at signalet kommer til detektoren etter ankomsten av signalet fra formasjonen. Ingen av dem frembringer et verktøylegeme med en "rett igjennom" akustisk bane som den akustiske energi ikke avviker fra. Følgelig bygger alle de ovennevnte patenter på det konsept at den akustisk energi dempes, uansett frekvens, ved å tvinge energien til å følge en øket banelengde, men finner ikke de ytterligere fordeler som kan oppnås ved å skape et akustisk stoppbånd ved å dimensjonere og skille deres "obstruksjoner" på en slik måte at det dannes destruktiv interferens av de spredte og reflek-terte akustiske bølger.

US patent nr. 2,757,358 viser et vaier-loggeapparat som benytter en konstruksjon med periodisk masse-belastning for å dempe signalet som forplanter seg gjennom verktøyet, istedenfor en innviklet bane med øket lengde. Denne konstruksjonen genererer bølgeinterferens, og virker som et lavpassfilter som opererer sammen med et høypassfilter på signalene som mottas av mottakeren. Kombinasjonen av et lavpass mekanisk og et høypass elektronisk filter er ment å fjerne signalet som forplanter seg gjennom verktøyet.

Metoden med å gjøre åpninger eller snitt som strekker seg gjennom sideveggens tykkelse er klart utilfredsstillende for soniske undersøkelser som utføres fra en borestreng eller borekrave. I MWD-miljøet må undersøkelsesverktøyet være inn-lagt i borekraven, og i stand til å motstå de enorme krefter og akselerasjoner man møter under boring av et hull. Hvis man boret et stort antall hull i sideveggen på borekraven, ville kraven bli svekket til det punkt at den ikke lenger ville være i stand til å motstå de kreftene den kunne bli utsatt for i boreprosessen. I tillegg ville man tape fluid-isolasjonen mellom det indre av borekraven og de ytre omgivelser.

Det er således ikke praktisk å utforme åpninger gjennom hele tykkelsen av borekravens sidevegg på samme måte som i et vaier-loggeverktøy. Fordypninger som strekker seg bare gjennom en del av borekravens vidde antas ikke å være effektive, siden den resterende del av borekraven tidligere har vært antatt å danne en "rett gjennom" bane for udempet forplantning av det akustiske signal. Videre, den tidligere kjente teknikk med "vinding" av verktøylegemets sidevegg slik at legemet har en tykkelse, og samtidig buktende longitudinalt tverrsnitt, er like utilfredsstillende på grunn av at slike former enten er for svake eller krever for stor andel av verktøyets begrensede diameter. Det er også klart at teknikken ifølge patent nr. 2,757,358 som har et flertall av masse-belastede staver, ikke lett kan tilpasses miljøet med logging under boring.

Ikke desto mindre viser både teori og laboratorie-eksperimenter at signaler som forplantes gjennom verktøyet vil dominere bølgeformen som mottas ved en mottager hvis verktøy-legeme er glatt, slik at undertrykkelse av disse signaler er essensiell for anvendeligheten av sonisk logging.

Man har oppdaget gjennom matematiske modeller av sylindriske borekraver av det på grunn av borekravens sylindriske geometri finnes et naturlig innsnitt eller stoppbånd ved en veldefinert, forut bestemt frekvens hvor lydforplantningen i borekraven blir naturlig dempet. Dette stopp-båndet oppstår i nærheten av overgangsfrekvensen for forplantnings-enheten til en modus fra en senhet til en annen. Med denne frekvens vil akustisk energi lett kobles til det omliggende medium, og blir derfor tatt til dette medium.

Man tenker seg derfor å utnytte dette naturlige stoppbånds-fenomen til å foreta en type av sonisk måling i boremiljø. Følgelig er det et formål med den foreliggende oppfinnelse å sende akustisk energi, fortrinnsvis ved stoppbåndets frekvens, og å detektere akustisk energi ved stoppbåndets frekvens som et middel til å diskriminere mot signaler som forplanter seg gjennom borekraven, og for å lette detekterbarheten av signaler som forplanter seg gjennom formasjonen.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det derfor frembrakt et apparat for utførelse av akustiske undersøkelser av underjordiske geologiske formasjoner under utgraving av et borehull, som kjennetegnes ved de trekk som fremgår av det vedføyde patentkrav 1. Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for utøvelse av soniske logge-undersøkelser av geologiske formasjoner som gjennomskjæres av et borehull, og fremgangsmåten defineres nøyaktig i det vedføyde patentkrav 22. Utførelser av apparatet og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fremgår av de tilknyttede uselvstendige patentkravene, og trekk som omhandles i disse uselvstendige krav, omtales nærmere i det følgende.

Man har oppdaget, at man etter å ha bestemt frekvensen for det naturlige stoppbånd, kan anordne et flertall av aksielt periodiske, i hovedsak periferiske kontinuerlige seksjoner av borekraven (så som spor eller forhøyninger i form av periferiske ringer eller heliske gjenger), med akustisk forplantnings-karakteristikk som er forskjellig fra borekraven, slik at den akustiske energi ved stoppbåndets frekvens blir ytterligere dempet gjennom en kombinasjon av refleksjon og destruktiv interferens. En periodisk seksjonert krave produserer både senere og svakere signaler gjennom kraven, og gjør signaler fra formasjonen detekterbare i stoppbåndet på kraven. Slike seksjoner trenger bare å ha en tykkelse som er lik eller mindre enn halvparten av tykkelsen til borekravens sidevegg. Slike seksjoner kan enten være periferiske massebelastninger på borekraven eller periferiske spor skåret inn i tykkelsen til borekravens sidevegg. Seksjonen kan være utformet alternativt på ytre eller indre vegg av borekraven, og kan være sirkelrunde eller heliske.

Et videre tiltak som man har funnet gunstig i å hindre forstyrrende forplantning av akustisk energi langs borekravens lengde, omfatter montering av både den akustiske sender og den akustiske mottager i akustisk isolasjon fra borekraven. Senderen og mottageren skal fortrinnsvis være orientert på tvers av borekravens lengdeakse, slik at den akustiske energi sendes mot formasjonen, og ikke langs borekravens lengde.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 er en generell illustrasjon av en borerigg og en

borestreng med akustisk loggeverktøy i borehullet.

Fig. 2 er en illustrasjon av en seksjon av en borekrave med

innvendige periodiske spor.

Fig. 3 er en illustrasjon av en seksjon av en borekrave med periodiske spor utvendig, og viser grafisk en trans-versalt montert sender og mottager. Fig. 4 viser en kurve av frekvens mot akustisk forplantningssenhet for en rørformet forkrave, og illustrerer overgangsområder fra mindre senhet til større senhet. Fig. 5 viser en illustrasjon av en borekrave med tilfeldig plasserte fordypninger som strekker seg inn i materialet i borekraven med en brøkdel av borekravens tykkelse. Fig. 6 viser kurver av kravens mot amplitude for et antall prøver av borekraver, inkludert en glatt borekrave, en borekrave med periferiske spor og en borekrave med tilfeldig plasserte fordypninger. Det henvises først til figur 1, som er en generell illustrasjon av en borerigg og borestrengen med et akustisk brønn-loggeverktøy nede i borehullet. Den roterende borerigg som er vist, omfatter en mast 1 over jordoverflaten 2, som er utstyrt med en løfteanordning 3 fra hvilken er opphengt en borestreng 4 utformet av borerør som er skrudd sammen og som ved sin nedre ende har en borekrone 5 for det formål å bore en brønn 6. Løfteanordningen 3 består av en kronblokk 7, hvis akse er festet til toppen av masten 1, en vertikal løpeblokk 8, til hvilken er festet en krok 9, en kabel 10 som går rundt blokkene 7 og 8 og som danner, fra kronblokken 7, på den en side en død line 10a ankret til et fast punkt 11 og på den annen side en aktiv line 10b som er viklet rundt trommelen til en vinsj 12.

Borestrengen 4 henger fra kroken 9 ved hjelp av en hvirvel 13 som er forbundet gjennom en slange 14 med en slam-pumpe 15 for injeksjon av boreslam inn i brønnen 6 gjennom de hule rørene i borestrengen 4. Boreslammet kan trekkes fra en slamtank 16 som kan være matet med overskudds-slam fra brønnen 6. Borestrengen kan løftes ved å dreie løfteanordningen 3 med vinsjen 12, og borerørene kan suksessivt fjernes fra (eller tilføres) brønnen 6 og skrus av for å kunne fjerne borekronen 5. Denne heving og senking av borerørene krever at borestrengen 4 må midlertidig hektes av løfteanordningen 3. Borestrengen blir da understøttet ved å blokkere den med kiler 17 i en konisk utsparing 18 i det roterende bordet som er montert på en plattform 2 0 gjennom hvilken borestrengen passerer. Den nederste del av borestrengen kan inneholde ett eller flere verktøy som vist ved 30, for å undersøke boreforholdene nede i borehullet eller for å undersøke egenskapene til de geologiske formasjoner som gjennomskjæres av borekronen og borehullet 6. Verktøyet 30 som vist er et akustisk loggeverktøy med en sender og fire adskilte mottagere. Under boreperioder blir borestrengen 4 drevet i en roterende bevegelse ved hjelp av et drivrør 21 festet til dens øvre ende. Mellom slike perioder blir drivrøret lagret i en rørhylse 22 i forden. Variasjoner i høyden h på løpeblokken 8 under heving av borestrengen 4 måles ved hjelp av en sensor 23 som kan være en rotasjonsvinkel-sensor koblet til den hurtige trinsen på kronblokken 7. Vekten f mot kroken 9 på løpeblokken 8 kan også måles ved hjelp av en strekkmåler 24 satt inn i den døde linen lOa av kabelen 10 til å måle dens spenning. Sensorer 23 og 24 er forbundet ved linjene 25 og 26 til en prosessorenhet 27 som behandler måleenhetene, og som omfatter en klokke. En registreringsenhet 28 er forbundet med prosessoren 27, som fortrinnsvis er en datamaskin.

Det henvises nå til figur 2, som er en grafisk illustrasjon av de grunnleggende komponenter i et sonisk loggeverktøy 30. Som i de fleste operasjoner med måling under boring, er verktøyet utformet i et longitudinalt langstrakt legeme inn-rettet for å plasseres i borehullet. I boremiljø er dette legemet en tykkvegget borekrave 32 som er fundamentalt en tykkvegget sylinder (bare en del av den er vist) med en longitudinal senterakse 51. Montert på borekraven er det en akustisk sender 34 og en akustisk mottager 36, adskilt fra hverandre. Skjønt bare en mottager 36 er vist på figurene 2 og 3, må det forstås at man kan foretrekke å inkludere et system av mottagere 36 (som vist på figur 1) og muligens mer enn en sender for å utføre borehull-kompensasjon som er kjent. Det må også forstås at figurene ikke nødvendigvis er tegnet i målestokk. I praksis vil for eksempel avstanden mellom senderen 34 og motstanderen 36 samt antallet spor være meget større enn vist.

En slik del som denne tykkveggede borekrave understøtter et antall akustiske modus for ledet forplantning, med senhets-overgangsområder. Et eksempel på dette er vist på figur 4. For en typisk glatt borekrave med en utvendig diameter på 21,6 cm og en innvendig diameter på 10.2 cm, vil den første modus bevege seg med stanghastighet (utbredende bølge) med en senhet på omkring 60 mikrosekunder pr. fot (180 mikrosekunder pr. meter) ved lav frekvens, og den endrer seg til omkring 150 mikrosekunder pr. fot (450 mikrosekunder pr. meter over 10 kHz). Overgangsfrekvensen oppstår ved punkt a ved omkring 10 kHz som illustrert på figur 4, hvor bølgelengden for den utbredende bølge er omtrent lik middeldiameteren for kraven. En annen modus med senhet nær 55 mikrosekunder pr. fot eller 165 mikrosekunder pr. meter (flatebølge-senhet) begynner ved omtrent 10 kHz og endres til omkring 140 mikrosekunder pr. fot eller 420 mikrosekunder pr. meter over 15 kHz. Den tredje modus med lignende oppførsel finnes over 15 kHz.

I dette eksempel er den første modus høyt dempbar ved 10 kHz på grunn av at kravens vibrasjoner koples lett til fluidum ved den frekvensen. Akustiske stopp-bånd eksisterer således ved frekvenser i overgangsområdet, hvor akustisk kopling til det omliggende medium er høyest. Overgangsfrekvensen (punkt a på figur 4) mellom første og andre senhet i den første modus finnes omtrent ved den frekvens hvor bølgelengden til det utbredende bølge er lik kravens middelomkrets. D.v.s.:

f = kV/td-L+dj)

hvor

k = 2/7T,

V = stanghastigheten til den utbredende bølge i kraven,

dx = kravens innvendige diameter, og

d2 = kravens utvendige diameter.

Avhengig av egenskapene til materialene i kraven samt den størrelse, kan senterfrekvensen ligge i området fra 3 til 30 kilohertz.

Følgelig utnytter man stoppbåndet (eller innsnittet) ved å anordne sendere og mottagere som virker i området med stopp-båndets frekvens. På denne måte ble akustisk energi som forplanter seg i borekraven ved stopp-båndets frekvens dempet, og gir mottageren 36 anledning til å detektere energien som sendes inn i og forplanter seg langs den geologiske formasjon nær verktøyet 30.

Skjønt dempningen av et signal forplanter seg i den glatte kraven ved stoppbåndets frekvens under noen om-stendigheter kan være tilstrekkelig for at mottagerdetektoren oppnår et rimelig formasjonssignal, er det fremdeles mulig å ytterligere forbedre effektiviteten til innsnittet i stoppbåndet ved å utstyre borekraven med en anordning mellom senderen og mottageren for å bevirke ytterligere akustisk dempning ved den forut bestemte frekvens for stopp-båndet. Dette kan gjøres ved å utforme borekraven med aksielt avbrutte, periferisk kontinuerlige deler 48 med akustiske forplantnings-karakteristikker som er forskjellig fra karakteristikkene til borekravens materiale.

For formålet med dette patent, er uttrykket "aksielt avbrutt, periferisk kontinuerlig" brukt til å omfatte ikke bare periferisk ring eller bånd, men også en gjenge-lignende utforming som vinnes kontinuerlig rundt borekraven med en slik stigning at den danner en spiral. I tillegg er dette språket tenkt å omfatte den situasjonen hvor ringene eller båndene strekker seg hele veien rundt borekraven unntatt for en del som er liten i forhold til borekravens omkrets, så lenge man oppnår den ønskede akustiske effekt ved å forhøye stopp-båndets virkning.

Slike deler 48 virker som reflektorer ved å forårsake at akustisk energi reflekteres tilbake i motsatt retning. Slike deler har fortrinnsvis sider som vender i aksiell retning, i det vesentlige i rett vinkel med borekravens lengdeakse. I tillegg har man oppdaget at periodisk adskilte systemer av slike deler, med korrekt mellomrom, kan virke som et middel for ikke bare å reflektere å spre energien som forplanter seg gjennom kraven, men også for å skape destruktiv bølge-interferens som ytterligere re.duserer amplituden til det akustiske signal inne i stopp-båndet.

Slike deler er illustrert på figur 2 som rektangelformede spor 40 adskilt ved forhøyninger eller flater 42, fortrinnsvis utformet på den innvendige overflate i borekraven 32. Utforming av sporene 40 på innsiden av borekraven har et antall fordeler sammenlignet med utsiden av kraven, deriblant beskyttelse mot slitende kontakt med borehullveggen, en sterkere og stivere borekrave, så mye som 50 % reduksjon i stress-konsentrasjoner, og muligheten for at sporet kan ha skarpe kanter istedenfor avrundede kanter.

Delene (mellomrommene) 48 er fortrinnsvis anordnet med den maksimalt oppnåelige forskjell i akustiske forplantnings-egenskaper i forhold til materialet i borekraven. Alternativt kan materialet i delene være valgt slik at dets forplantningshastighet for lyd er tilpasset borevæsken, slik at minimums-energi blir reflektert tilbake til borekraven fra grense-snittet mellom materialet i delen og borevæsken. Mellomrommene 48 kan være fylt med epoxy, gummi, luft, olje eller annet egnet materiale. I den utførelse som er vist er det valgte materialet luft eller olje, holdt på plass av en hylse 50 som tjener til å holde på oljen og å isolere den fra borevæsken som sirkulerer inne i kraven 32. Tiltak kan treffes for å forsegle endene på hylsen 50 hydraulisk, for eksempel med elastomer O-ringer 49 som også tjener som en akustisk impedans mot energien som sendes av senderen.

Innvendige hjørner i sporene 4 0 er indikert ved 46. Hvor sporene 40 er utformet på utsiden av borekraven (som illustrert på figur 3), er deres innvendige hjørner fortrinnsvis avrundet for å minimalisere stress-konsentrasjoner som skapes ved utforming av sporene. Hvor sporene 4 0 er utformet på innsiden av borekraven (som illustrert på figur 2) hvor stresskonsentrasjon har mindre betydning, er de innvendige hjørnene fortrinnsvis så skarpe som mulige for å maksimalisere mengden av akustisk signal som reflekteres ved krave/spor-grensesnittet.

Det henvises nå til figur 3, som illustrerer en annen utførelse. I dette tilfellet er sporene 40 utformet på utsiden av borekraven 32, og vil enten være tomme (fylt med boreslam) eller fylt med epoxy, fiberglass eller annet materiale med betydelig styrke mot den slitasje som forventes gjennom kontakt med borehullveggen under boreprosessen. Sporene 40 er vist med "r" og bredde i lengderetningen "I^". Sporene 40 er adskilt ved forhøyninger eller flater 42 med bredde "I^<1*>. Generelt kan breddene L2 (og aksielle mellomrom L1; som fortrinnsvis er lik 12) for sporene bestemmes i henhold til det følgende forhold:

hvor

L2 = den aksielle lengde av en del, og er lik aksielt mellomrom L-^ mellom delene,

f = den forutbestemte frekvens, og

S = senheten til en akustisk bølge som forplanter seg i legemet.

Tykkelsen til sideveggene i borekraven 32 er indikert ved "t", og bestemmes slik at det tilfredsstiller både dempnings-kravene som er nødvendig for vellykket detektering av signaler som kommer fra formasjonen og borekravens behov for styrke. I ett eksempel kan borekraven 32 ha en innvendig diameter på

10.2 cm og en utvendig diameter på 21.6 cm, slik at tykkelsen t av borkraven er 5,7 cm. I denne situasjonen kan sporene 40 ha en dybde r på 3 cm og bredde L2 på 12,7 cm, som også er bredden Lx av flaten 42. De ovennevnte dimensjoner er funnet

å være tilfredsstillende både akustisk og mekanisk. Jo større avstanden er mellom senderen 34 og mottageren 36, jo bedre er dempningen for signalet som forplanter seg gjennom borekraven. En avstand på ca. 335 cm er funnet å være tilfredsstillende under de fleste forhold til å detektere et rimelig formasjonssignal. Figur 5 illustrerer en ytterligere utførelse for å utforme et akustisk stoppbånd på en borekrave. I denne utførelsen er ikke anordningen for å produsere et stoppbånd periferisk kontinuerlige deler, men snarere deler 70 utformet i overflaten (ytre eller indre) til borekraven på tilfeldige steder. I det spesielle illustrerte eksempel, og dette er testet eksperimentelt med en modell i målestokk 1 til 10, består delene 70 av hull (fylt eller ikke fylt som beskrevet ovenfor under henvisning til sporene 40) med diametere og dybder på 2,54 mm. Sideveggene til modellen i målestokk 1 til 10 består av materiale 72 med tykkelse på 3,81 mm. Ulik tilfellet med vaiersonden med hull som er jevnt adskilt og som er utformet helt gjennom sondehuset, og som demper akustiske bølger langs hele spekteret, vil delene 70 forsterke det naturlige stopp-bånd (med et begrenset frekvensområde) for borekraven. Figur 6 er en representasjon av frekvens-spektrene for eksperimentelle data utledet fra tre modeller i en til ti målestokk. Modellkravene som ble brukt i eksperimentet hadde innvendig diameter på 12,7 mm og utvendig diameter på 20,3 mm. På figuren representerer kurve A spekteret for en glatt borekrave, kurve B representerer spekteret for en borekrave med periferiske utvendige spor gjennom 40 % av borekravens tykkelse, og kurve C representerer spekteret for en borekrave med tilfeldige sirkelrunde fordypninger gjennom 67 % av borekravens tykkelse. Som man kan se viser dempningsspekteret for kurve A et naturlig stopp-bånd ved omkring 100 kHz (som tilsvarer 10 kHz ved full skala), med en båndbredde på omkring 20 kHz (2 kHz full skala). Som man kan se på kurve B vil tillegg av utvendige spor ikke bare fordype stopp-båndet, men også gjøre det bredere. Kurve C, som er kurven fra modellen med tilfeldig plasserte sirkelrunde fordypninger, har et stopp-bånd som er bredere og noe dypere i forhold til stopp-båndet i kurve A for den glatte borekraven. Det er forventet at borekraver med fordypninger med et område av diametere ville utvise ytterligere utvidelse av stoppbåndet på kurve C. Andre kombinasjoner av utvendige og/eller innvendige spor og/eller tilfeldige fordypninger med samme eller forskjellige størrelser kan benyttes til å produsere andre ønskelige variasjoner. Som vil bli forstått av fagfolk på området, kan dimensjoner og frekvenser for borekraver i full størrelse med samme trekk som modellen på figur 6 bli oppnådd ved å anvende skalafaktoren på 10.

Figur 3 viser også mulig konstruksjon av senderen og mottageren, henholdsvis 34 og 36, og deres monterings-anordning. Det er ønskelig å minimalisere den akustiske kobling mellom senderen (mottageren) og borekraven slik at signalet som forplanter seg gjennom kraven fra begynnelsen er så lite som mulig. Senderen (mottageren) er således montert på tvers av borekravens lengdeakse 51. Ideelt blir det således et minimum av akustisk energi sendt ut i aksiell retning, og en maksimal mengde av energi blir sendt inn i den • geologiske formasjonen.

Som man kan se på figur 3 er transduserne 56 og 58 generelt sylindriske i form. Transduseren 56 skal fortrinnsvis virke som sender i området 3 til 30 kHz. Transduserne kan omfatte en rekke forskjøvne skiver av piezoelektrisk materiale, som blir elektrisk drevet til å vibrere unisont i resonans. Stabelen av skiver kan omfatte masse-belastninger (ikke vist) ved en eller begge ender for å avstemme resonans-frekvensene til frekvensen for stopp-båndet i borekraven. I den foretrukne utførelse er senderen 34 en smalbånds transduser som emitterer størstedelen av sitt signal ved frekvensen for stoppbåndet i borekraven, mens mottageren 3 6 er en transduser med bredere bånd som spenner over stoppbåndet for borekraven. Mottagerens bredere bånd gjør det mulig å motta en maksimal mengde av akustisk energi fra den tilstøtende formasjon etter at den har gått gjennom formasjonen fra senderen 34.

Transduseren 56 kan monteres i borekraven i et tverrgående rør 52. Røret 52 tjener til fysisk og hermetisk å isolere og forsegle transduseren mot borefluidet inne i verktøyet 30. Transduseren 56 (og 58) kan akustiske isoleres fra monteringsrøret 52 ved hjelp av elastiske O-ringer 60 som produserer et luft-(eller væskefylt) gap 57 mellom transduseren og sidene i røret 52. Ytterligere akustisk isolasjon kan oppnås mellom transduseren og borekraven 32 ved elastisk montering av røret 52 i kraven (ikke vist).

Senderen 34 er illustrert som bestående av en enkelt transduser 56 som strekker seg over bredden av borekraven, mens mottageren 36 er illustrert som bestående av et par transdusere 58, montert på motsatte sider av borekraven. Det bør imidlertid være åpenbart at både sender og mottager kan være av hvilken som helst av de to konstruksjoner. Hvor senderen (eller mottageren) består av et par transdusere, kan den drives enten i monopol (punktkilde) eller dipol (punkt-effekt) modus.

Skjønt borekraver med innvendige og utvendige deler utformet for å produsere akustisk dempning i et stopp-bånd er beskrevet, kan andre anordninger finnes for å oppnå lignende resultater. For eksempel, istedenfor å maskinere spor i borkrave-materialet, kan man foretrekke å anordne deler som omfatter massebelastninger ved å feste bånd av et materiale på utsiden eller innsiden av borekraven. Båndet kan festes til borekraven ved hjelp av varme-krymping, eller ved varmevikling av en spiralstrimmel på utsiden av kraven.

Skjønt en foretrukken utførelse er vist og beskrevet, kan forskjellige modifikasjoner og endringer gjøres på denne uten å avvike fra oppfinnelsens ånd og omfang. Følgelig, skjønt et akustisk loggeverktøy er beskrevet i sammenheng med en borekrave, er ikke de følgende kravene begrenset til dette, slik at oppfinnelsen har lik anvendelse med vaier-sonder. I tillegg, skjønt man i konstruksjonen avd en foretrukne utførelse først identifiserer det naturlige akustiske stopp-bånd i borekraven, og så former spor i borekraven for ytterligere å fordype og/eller utvide stopp-båndet, er det innenfor oppfinnelsens omfang å frembringe en borekrave med en anordning for å dempe akustisk energi i et kunstig skapt stopp-bånd uten hensyn til et eventuelt naturlig stopp-bånd. Man må således forstå, at beskrivelsen av den foreliggende oppfinnelse er en illustrasjon og ikke en begrensning.

Claims (25)

1. Apparat (30) for utførelse av akustiske undersøkelser av underjordiske geologiske formasjoner under utgraving av et borehull, karakterisert veda. et sylindrisk vektrør (32) med en langsgående akse (51) og med et akustisk frekvens-stoppbånd i et frekvensområde gjennom hvilket akustisk forplantning langs vektrøret (32) undertrykkes, hvor det nevnte frekvensområdet er en funksjon av vektrørets (32) geometri; b. en sender (34) montert på vektrøret (32) for fortrinnsvis å sende akustisk energi med en frekvens i det nevnte stopp-båndet med en vinkel i forhold til aksen (51), hvor senderen (34) er montert for å være hovedsakelig fri for akustisk kopling til vektrøret (32) ; og c. en mottager (3 6) montert på vektrøret (32) og i avstand fra senderen (34), for fortrinnsvis å motta akustisk energi ved den nevnte frekvens innen stoppbåndet, hvor mottakeren (36) er montert for å være hovedsakelig fri for akustisk kopling til vektrøret (32).

2. Apparat (30) ifølge krav 1, karakterisert ved at vektrøret (32) omfatter aksialt periodiske, hovedsakelig omkretsgående og kontinuerlige riller (40) tildannet på innsiden av vektrøret (32) mellom senderen (34) og mottakeren (3 6) for å bevirke destruktiv bølge-interferens i vektrøret (32) ved stopp-båndets frekvensområde.

3. Apparat (30) ifølge krav 1, karakterisert ved at vektrøret (32) omfatter aksialt periodiske, hovedsakelig omkretsgående og kontinuerlige riller (40) tildannet på utsiden av vektrøret (32) mellom senderen (34) og mottakeren (36) for å bevirke destruktiv bølge-interferens i vektrøret (32) ved stopp-båndets frekvensområde.

4. Apparat (30) ifølge krav 3, karakterisert ved at rillene (40) har avrundede indre hjørner (46).

5. Apparat (30) ifølge krav 1, karakterisert ved det innbefatter midler (48) på vektrøret (32) for å utøke stopp-båndet ved å frembringe destruktiv bølge-interferens.

6. Apparat (30) ifølge krav 1, karakterisert ved at vektrøret (32) omfatter en rekke vilkårlig anbrakte forsenkninger (70) tildannet i vektrøret (32) for å utøke det nevnte stoppbånd.

7. Apparat (30) ifølge krav 1, karakterisert ved at senderen (34) omfatter en akustisk sende-transduser (56) og monteringsmidler for sende-transduseren, for å redusere den akustiske kopling mellom sende-transduseren (56) og vektrøret (32); og at mottakeren (36) omfatter en akustisk mottaker-transduser (58) og monteringsmidler for mottaker-transduseren for å redusere den akustiske kopling mellom mottaker-transduseren (58) og vektrøret (32).

8. Apparat (30) ifølge krav 7, karakterisert ved at sende-transduseren (56) er montert tverrgående i forhold til vektrøret (32).

9. Apparat (30) ifølge krav 7, karakterisert ved at monteringsmidlene for sende-transduseren omfatter en ettergivende anordning (60) mellom sende-transduseren (56) og vektrøret (32) for akustisk isolasjon av sende-transduseren (56) fra vektrøret (32); og at monteringsmidlene for mottaker-transduseren omfatter en ettergivende anordning (60) mellom mottaker-transduseren (58) og vektrøret (32) for akustisk isolasjon av mottaker-transduseren (58) fra vektrøret (32).

10. Apparat (30) ifølge krav 9, karakterisert ved at sende-transduseren (56) er montert i et rør (52) og at røret (52) er montert i vekt-røret (32) .

11. Apparat (30) ifølge krav 10, karakterisert ved at røret (52) går radielt gjennom vektrøret (32).

12. Apparat (30) ifølge krav 10, karakterisert ved at den ettergivende anordningen (60) skaper et fluidum-fylt gap (57) mellom sende-transduseren (56) og vektrøret (32).

13. Apparat (30) ifølge krav 1, karakterisert ved at vektrøret (32) omfatter aksialt diskontinuerlige partier (48) med akustiske bølge-forplantnings-egenskaper som er annerledes enn egenskapene til vektrøret (32) , idet partiene (48) har størrelse og er anbrakt med innbyrdes avstand for å bevirke destruktiv bølge-interferens i vektrøret (32) ved stopp-båndets frekvens.

14. Apparat (30) ifølge krav 13, karakterisert ved at de nevnte partiene (48) strekker seg innover fra utsiden av vektrøret (32).

15. Apparat (30) ifølge krav 13, karakterisert ved at de nevnte partier (48) strekker seg utover fra innsiden av vektrøret (32).

16. Apparat (30) ifølge krav 13, karakterisert ved at de nevnte partier er riller (4 0) som inneholder et materiale som adskiller seg fra vektrørets (32) materiale.

17. Apparat (30) ifølge krav 13, karakterisert ved at de aksialt diskontinuerlige partier (48) har spiral-utforminger.

18. Apparat (30) ifølge krav 1, karakterisert ved at senderen (34) er montert på vektrøret (32) for å sende akustisk energi i det hovedsake-lige normalt på den langsgående aksen (51).

19. Apparat (30) ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte frekvens inne i stopp-båndet er i området 3-3 0 kHz.

20. Apparat (30) ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte frekvens (f) inne i stopp-båndet er bestemt i samsvar med følgende forhold: f = KV/Cdi+dj) hvor k = 2/7T, V = vektrørets (32) stangutvidelses-bølgehastighet, d1 = vektrørets (32) indre diameter, og d2 = vektrørets (32) ytre diameter.

21. Apparat (30) ifølge krav 13, karakterisert ved at de nevnte partier (48) har lik aksial bredde (L2) og like aksiale avstander (L-jJ fra hverandre, som er bestemt i samsvar med følgende forhold: Lx = L2 = l/(4fS) hvor L2 = aksial bredde av et parti (48) = aksial avstand, Llf mellom partier (48), f = frekvensen i stopp-båndet, og S = senheten for en akustisk bølge som forplanter seg i vektrøret (32).

22. Fremgangsmåte for utøvelse av soniske logge-undersøkelser av geologiske formasjoner som gjennomskjæres av et borehull, omfattende de følgende trinn: a. fortrinnsvis transmisjon av akustisk energi inn i formasjonen ved en forutbestemt frekvens fra et første sted på et sylindrisk legeme i borehullet; b. mottaking av akustisk energi fra formasjonen på et andre sted på legemet; og c. demping ved et sted mellom det nevnte første og andre sted, av akustisk energi i et stopp-bånd som omslutter den nevnte forutbestemte frekvens, karakterisert ved at stopp-båndets frekvensområde er en naturlig forekommende funksjon av legemets geometri.

23. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakterisert ved at dempningstrinnet foregår ved hjelp av destruktiv bølge-interferens.

24. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakterisert ved at mottakings-trinnet fortrinnsvis innbefatter mottaking av akustisk energi over et frekvensbånd som omslutter stoppbåndet.

25. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakterisert ved at den akustiske energi sendes og mottas hovedsakelig normalt på legemets langsgående akse.