NO303096B1 - FremgangsmÕte for Õ utlede seismiske data ved br÷nnboring - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåter for å utlede seismiske data angående en jordformasjon ved å måle visse vibrasjoner som frembringes av en borekrone eller annet utstyr festet til en borestreng. Vibrasjoner som avføles av en gruppe seismiske følere på jordoverflaten sammenlignes med vibrasjoner som avføles av et arrangement av akselerometre og spenningsmålere montert ved den øvre ende av borestrengen.

US-patent nr. 4 207 619 i navnet A. Klaveness beskriver en teknikk hvor en pulsgenera-tor er festet til en borestreng og anvendes for å frembringe seismiske pulser i en valgt dybde nede i en brønnboring, idet disse pulser måles som reflekterte og avbøyde vibrasjoner ved hjelp av en rekke seismometre montert på jordoverflaten. Denne teknikk, som i blant er betegnet som vertikal seismisk profilering, anses som nyttig idet den gjør det mulig under borearbeidet å "se fremover" for borekronen mens boringen pågår med det formål å samle informasjon angående litologien for en formasjon i nærheten av brønnboringen.

Det system som er beskrevet i Klaveness' patent krever imidlertid at boreoperasjonen stoppes mens de seismiske pulser frembringes og måles av en føler ved den øvre ende av borestrengen såvel som av gruppen av seismiske følere, som avføler det pulssignal som overføres som avbøyde og reflekterte akustiske bølger eller spenningsbølger gjennom jordformasjonen. I det system som er beskrevet i Klaveness' patent er det videre bare seismiske trykkbølger som kan påvises av følergruppen og sammenlignes med pulsgeneratorens utgangssignal. Det er også kjent å måle grunnegenskaper og boreverktøyets slitasje ved avføling av borestrengens vibrasjoner, slik som beskrevet i US-patent nr. 3 520 375 i navnet Raynal og i US-patent nr. 3 714 822 i navnet Lutz.

Med utvikling av det målesystem for borestrengvibrasjoner som er beskrevet i US-patent nr. 4 715 451 i navnet A.A. Bseisu m.fl. samt overdratt til innehaveren av foreliggende oppfinnelse, er det imidlertid utviklet en forbedret fremgangsmåte for å bestemme visse egenskaper for en jordformasjon, og hvor de seismiske signaler som frembringes av selve borearbeidet kan utnyttes for måling av de karakteristiske egenskaper for formasjonen ved hjelp den såkalte vertikale seismiske proftleringsteknikk. Bseisu antyder helt generelt at spektralanalyse av signaler som mottas av den akselerometergruppe og den gruppe vibrasjonsfølere som er beskrevet i patentskriftet, kan utføres for å fastlegge spesielle vibrasjonsfrekvenser, og at en sådan analyse også kan korreleres med målingen nede i borehullet som tas med vanlig måleutstyr mens boringen utføres.

Et annet patentskrift, nemlig US-patent nr. 4 718 048 i navnet Staron, beskriver en fremgangsmåte for øyeblikkelig akustisk logging inne i et brønnhull og som innebærer at det på borerør- og grunn-registreringer lokaliseres elementære registreringer som tilsvarer ett og samme dybdenivå for boreverktøyet, og hvor de elementære registreringer grupperes i par. Registreringene i parene interkorreleres for med hensyn til hvert par å generere et korrelert signal som representerer den frembragte akustiske energi og forskjellen i vandringstid for bølgene mottatt i føleren som paret av registreringer er blitt oppnådd fra. Ifølge Staron kan det benyttes en føler "av en hvilke som helst egnet art" som måler uspesifiserte vibrasjoner som forplanter seg oppover langs en borestreng. Det antydes intet om de forskjellige egenskaper ved de forskjellige vibrasjoner i borestrengen, og det gjøres intet forsøk på å skille disse eller utnytte dem på en fordelaktig måte.

Kjernepunktet i foreliggende oppfinnelse ligger således i det forhold at det måles både aksialvibrasjoner og torsjonsvibrasjoner i borestrengen for å fastlegge vibrasjonenes opprinnelsessted. Dette muliggjør en nøyaktig bestemmelse av vibrasjonenes opp-rinnelsestidspunkt og derved forbedret korrelasjon med signaler reflektert fra jordforma-sjonene.

I et aspekt gjelder således den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å utlede seismiske data angående en jordformasjon samtidig som en brønnboring utføres i nevnte formasjon med en borestreng som har en borekrone eller lignende anordnet i den nedre, fjerntliggende ende av strengen, og hvor: - det anordnes vibrasjonsfølende utstyr som tilkobles et øvre avsnitt av borestrengen og er innrettet for å frembringe elektriske signaler i samsvar med vibrasjoner i borestrengen, - det opprettes en gruppe seismometre som anbringes på jordoverflaten hovedsakelig i nærheten av nevnte brønnboring, - det måles første signaler frembragt av det vibrasjonsfølende utstyr som følge av vibrasjoner som forplanter seg langs borestrengen, og - det måles andre signaler som frembringes av nevnte gruppes seismometere som følge av borestrengvibrasjoner som overføres gjennom nevnte jordformasjon.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da denne fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at:

- opprinnelsesstedet for nevnte vibrasjoner i borestrengen fastlegges ved å måle forskjellen i ankomsttid til det vibrasjonsfølgende utstsyr for henholdsvis en torsjonsvibrasjonskomponent og en aksialvibrasjonskomponent av de vibrasjoner som forplantes gjennom borestrengen, samt ved å ta med i beregningen forplantningshastigheten i borestrengen for såvel torsjonsvibrasjoner som aksialvibrasjoner, og - opprinnelsestidspunktet for vibrasjonene bestemmes ut i fra det fastlagte opprinnelsessted for vibrasjonene samt en vibrasjonsforplantningshastighet i borestrengen, og - første og andre signaler sammenlignes for å fastlegge karakteriserende egenskaper for nevnte formasjon.

I et andre aspekt gjelder den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å oppnå seismiske data angående en jordformasjon hvor en brønnboring trenger igjennom formasjonen med en borestreng inne i brønnboringen, og hvor: - det anordnes utstyr tilordnet borestrengen for å frembringe vibrasjoner for forplantning gjennom borestrengen og nevnte formasjon under borearbeider, - det anordnes vibrasjonsfølende utstyr forbundet med et øvre avsnitt av borestrengen, idet nevnte utstyr er innrettet for å frembringe elektriske signaler i samsvar med

vibrasjonene i borestrengen,

- det opprettes en gruppe seismometre som anordnes på jordoverflaten i nærheten av brønnboringen, - det måles første signaler frembragt av nevnte vibrasjonsfølende utstyr som følge av borestrengens vibrasjoner, og - det måles andre signaler frembragt av nevnte gruppe seismometere som følge av vibrasjoner som overføres gjennom jordformasjonen og frembringes av nevnte utstyr for å frembringe vibrasjoner.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da denne fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at opprinnelsestidspunktet for vibrasjonene fastlegges ved å beregne opprinnelsesstedet for nevnte vibrasjoner ut i fra tidsforskjellen mellom ankomsten av en torsjonsvibrasjonskomponent og av en aksial vibrasjonskomponent til nevnte vibrasjonsfølende utstyr gjennom borestrengen, samt forplantningshastigheten for aksial- og torsjonsvibrasjonene i nevnte borestreng, og nevnte første og andre signaler sammenlignes.

I et tredje aspekt gjelder den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å utlede seismiske data angående en jordformasjon samtidig som en brønnboring utføres i nevnte formasjon med en borestreng som har en borkrone eller lignende anordnet i den nedre, fjerntliggende ende av strengen, og hvor: - det anordnes vibrasjonsfølende utstyr som tilkobles et øvre avsnitt av borestrengen, samt er innrettet for å frembringe elektriske signaler i samsvar med vibrasjoner i borestrengen, idet nevnte vibrasjonsfølende utstyr omfatter midler for å påvise aksialvibrasjoner i borestrengen, samt videre minst et første akselerometer i avstand fra borestrengens lengdeakse for å frembringe signaler som følge av torsjonsvibrasjon av borestrengen, samt minst et andre akselerometer på borestrengen og i avstand fra

det første akselerometer,

- det opprettes en gruppe seismometre anordnet på jordoverflaten hovedsakelig i nærheten av brønnboringen, og med minst et første seismometer og et andre

seismometer i avstand fra hverandre og fra nevnte lengdeakse,

- det måles signaler som frembringes av det vibrasjonsfølende utstyr som følge av borestrengens vibrasjoner, og - det måles signaler som frembringes av nevnte gruppe av seismometre som følge av vibrasjoner som overføres gjennom nevnte jordformasjon.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da denne fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at: - de signaler som frembringes av nevnte vibrasjonsfølende utstyr sammenlignes for å fastlegge aksialmodus og torsjonsmodus for borestrengens vibrasjoner, og - signalene som frembringes av det vibrasjonsfølende utstyr sammenlignes med signalet frembragt av nevnte første og andre seismometer for å bestemme skjær-bølgehastigheten i nevnte jordformasjon.

I henhold til oppfinnelsen er det således mulig å måle forplantningstiden for akustiske pulser eller vibrasjoner i en jordformasjon, hvor de vibrasjoner som frembringes av en borestreng og en borekrone under utforming av borehullet måles av seismometre montert i et forut fastlagt gruppemønster på jordoverflaten, og disse vibrasjoner sammenlignes med vibrasjonssignaler som forplantes langs borestrengen og avføles av forbedret utstyr for måling av borestrengvibrasjoner. Oppfinnelsen gjør det også mulig å bestemme beliggenheten av kilden for akustiske pulser eller vibrasjoner samtidig som de frembringes.

Foreliggende oppfinnelse utnytter en gruppe følere som er i stand til å måle sykliske strekk- og trykkspenninger eller vibrasjoner i en borestreng, såvel som avbøyninger frembragt av borestrengens torsjonsvibrasjoner, idet disse vibrasjoner sammenlignes med de avfølte vibrasjoner av en rekke seismometre anordnet i et forut fastlagt mønster på jordoverflaten. Anvendelse av dette avfølingssystem for vibrasjoner eller akustiske pulser i henhold til oppfinnelsen kan faktisk finne sted mens borearbeidet er i gang, skjønt kilden for de akustiske vibrasjoner også kan være anordnet som separat styrbart utstyr i borestrengen. Med den foreliggende oppfinnelse blir man i stand til å måle aksiale akselerasjonsverdier og spenninger, dvs. spenninger av akselerasjoner av tangential- og torsjonstype, samt radiale akselerasjoner. Følerne i dette system er følgelig i stand til å frembringe signaler som kan anvendes enkeltvis eller i kombinasjon for derved å angi dynamiske forandringer i borestrengens vibrasjonstilstander samt å sammenligne følernes utgangssignaler for referanseformål.

Ytterligere fordeler ved den foreliggende oppfinnelsesgjenstand omfatter en forbedret bestemmelse av frekvensbåndbredden for de signaler som kan mottas og sammenlignes ved hjelp av seismometergruppen samt måleutrustningen for borestrengvibrasjonene, og økt følsomhet som gjør det mulig å skjelne vibrasjoner frembragt av borestrengen fra vibrasjoner som skriver seg fra omgivelsene på og omkring boreriggen og som omfatter "støy"-kilder. Dessuten oppnås en forbedret signaldiskriminering ved lavere energinivåer av de vibrasjoner som frembringes av borestrengen samt bestemmelse av det faktiske frembringelsestidspunkt for det signal som måles både av borestrengens vibrasjonsmåle-utrustning og av seismometergruppen. Derved blir det mulig å fastlegge diverse karakteristiske egenskaper for formasjonen innbefattet dens litologi.

Andre teknisk særtrekk og fordeler ved oppfinnelsesgjenstanden vil fremgå for fagfolk på området ved gjennomlesning av den etterfølgende detaljerte beskrivelse under henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 viser et vertikalt snitt i en noe skjematisk form av en brønnboring, idet det samtidig utføres måling og registrering av akustiske vibrasjoner som forplanter

seg såvel gjennom en jordformasjon som gjennom en borestreng,

fig. 2 er et vertikalt snitt som viser detaljer ved borestrengens vibrasjonsmålesystem, fig. 3 viser et snitt langs linjen 3-3 i fig. 2,

fig. 4 viser et snitt langs linjen 4-4 i fig. 3,

fig. 5 viser et snitt langs linjen 5-5 i fig. 2, og

fig. 6 og 7 er diagrammer som viser forskjellige forhold ved aksiale og torsjonale

vibrasjonssignaler frembragt ved samme hendelse.

I den følgende beskrivelse av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen vil tilsvarende elementer gjennomgående bli angitt med samme henvisningstall i teksten og på de forskjellige tegninger. Tegningsfigurene er ikke nødvendigvis overalt utført i samme målestokk, og visse tekniske trekk er angitt i overdrevet stor målestokk eller i skjematisk form for å oppnå større klarhet og korrekt forståelse.

I fig. 1 er det vist en del av en jordformasjon 10 med minst ett lag eller stratum 11 som er forskjellig fra et annet lag eller stratum 12. De nevnte strata 11 og 12 er vanligvis skilt fra hverandre ved et grensesnitt 13. Jordformasjonen 10 er i ferd med å bli gjennomboret av en brønnboring 14 ved hjelp av en vanlig tri-kon eller borekrone 16 av lignende art og som er tilkoblet den nedre ende av en borestreng 20 i form av et langstrakt stålrør. Andre typer av borekroner, som ikke er vist, kan anvendes i stedet for borekronen 16. Borestrengen 20 er vist å strekke seg igjennom et parti av brønnboring-en 14 som er blitt stabilisert ved hjelp av en foring 22. En borerigg 15 av vanlig rotasjonstype anvendes for å drive borestrengen 20 via en vanlig rotasjonsskive 19 som omfatter en drivrørføring 32 som står i drivende inngrep med et modifisert drivrør eller kelly 34. Borestrengen 20 er opphengt i en borerigg enten ved hjelp av en vanlig krok 18 og dreieanordning 17. Dreieanordningen 17 er forbundet med en spesiell koblingsenhet 36, som vil bli nærmere beskrevet senere og som sammen med en annen koblingsenhet 38 innkoblet i borestrengen mellom nevnte drivrør 34 og borekronen 16, er utført for å overføre signaler som tilsvarer aksiale og torsjonale vibrasjoner av borestrengen til et telemetrisystem som inngår i en kabel forbundet med en passende signalbehandlings- og sammenligningsenhet 23. Koblingsenhetene 36 og 38 kan være utført i ett stykke med drivrøret 34.

Ved utførelse av fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse er en gruppe seismometre 24 anbragt på jordoverflaten 25 samt innrettet for å måle vibrasjoner som finner sted hovedsakelig i vertikal retning eller parallelt med den sentrale lengdeakse 21 av borestrengen, såvel som i radial retning vinkelrett på aksen 21 og i tangential retning med hensyn på en sirkel som har sin akse sammenfallende med aksen 21. Seismometrene 24 vil følgelig være i stand til å måle vibrasjoner som hovedsakelig er vertikale i forhold til jordoverflaten 25, samt parallelle med jordoverflaten både i radial retning og i torsjons- eller tangential retning i forhold til aksen 21. Den viste gruppe av seismometre 24 er angitt som eksempel og ytterligere sådanne seismometre kan anbringes langs radiale linjer som strekker seg utover fra aksen 21, i et forut fastlagt konsentrisk, sirkulært mønster av lignende art som beskrevet i Klaveness<*>patentskrift.

Akustiske vibrasjoner som frembringes i formasjonen 12 som følge av skjærevirkningen av borekronen 16, vil stråle ut i et hovedsakelig kuleformet mønster fra borekronen langs forplantningsbaner 27 og 28 til de forskjellige seismometre 24 i nevnte gruppe. Disse vibrasjonssignaler vil også stråle ut langs baner 29 som vil bli kastet tilbake fra grense-snittet 13 og løpe langs baner 30 og 31 til seismometrene på jordoverflaten. Utgangssignaler fra seismometrene føres til en signalbehandlings- og sammenligningsenhet 23 for sammenligning av ankomsttidene for signalene til de forskjellige seismometre, samt måling av vedkommende signals amplitude og form.

I samsvar med foreliggende oppfinnelse forutsettes det at de vibrasjoner som frembringes av borekronen 16 vil kunne skjelnes i tilstrekkelig grad av seismometrene 24 og av utstyr for å avføle overføring av disse signaler langs borestrengen 20, for derved å kunne utføre bestemte sammenligninger mellom signalene for å bestemme deres forplantningstid fra borekronen 16 langs direkte og reflekterte baner med det formål å kunne bestemme litologien for vedkommende jordformasjon 10. Målesystemets nøyaktighet og følsomhet ved måling av de frembragte vibrasjoner som forplanter seg langs borestrengen 20, vil være tilstrekkelig ved måling bare av borekronens virkning, eller av eventuelt andre signaler frembragt med hensikt, for derved å opprette et forbedret seismisk signalmønster som kan analyseres for å bestemme visse karakteristiske egenskaper for formasjonen 10.

Det skal nå henvises til fig. 2, hvor særlig sammenstillingen av nevnte drivrør 34 med de øvre og nedre koblingsenheter, henholdsvis 36 og 38, er vist mer detaljert. Drivrøret 34 er et vanlig langstrakt, rørformet legeme med et parti 35 av mangekantet tverrsnitt samt anordnet for ikke-roterbar, men aksial bevegelse i forhold til drivrørføringen 32. Drivrørf-øringen 32 er typisk fjernbart anordnet i et legeme 33 som er understøttet i passende lagre (ikke vist), for derved å kunne rotere innenfor rammen av rotasjonsskiven 19. Rotasjonsskiven 19 er følgelig anordnet for å overføre rotasjonsbevegelse til borestrengen 20 via drivrøret, som bare er anordnet for aksial bevegelse i forhold til rotasjonsskiven, etterhvert som borekronen trenger igjennom formasjonen for å danne en brønn-boring. Drivrøret eller kelly 34 er forbundet med koblingsenhetene 36 og 38 over vanlige gjengede forbindelser. Koblingsenheten 36 er også gjengeforbundet med en koblings enhet som danner en del av dreieenheten 17 og er montert på passende lagerutstyr (ikke vist) for dreiebevegelse i forhold til dreierammen.

Koblingsenheten 36 er kjennetegnet ved et langstrakt, hovedsakelig rørformet legeme 37 med et rørformet parti 39 som har litt redusert diameter og et første tverrstilt, hovedsakelig sirkelformet flensparti 40. Flensen 40 er utført for å understøtte flere forholdsvis følsomme akselerometre 42, 44, 46, 48 og 50 (se også fig. 3). Den spesielle plassering av disse akselerometre er slik at de bevegelsesakser som avføles av dem vil være som angitt ved vektordiagrammer som vil bli nærmere beskrevet senere. Det rørformede parti 39 er utført for å ha montert på sin utside et arrangement av spenningsmålere 52, 54, 56 og 58 som er av elektrisk motstandstype og fortrinnsvis er anordnet i en vanlig brokrets av Wheatstone-type. Målerne 52, 54, 56 og 58 er utført for å måle aksial forlengelse eller sammentrekning av partiet 39 av enheten 36 og således den aksiale spenning på borestrengen 20. Et annet arrangement av spenningsmålere omfatter de som er montert for å påvise aksial forlengelse eller sammentrekning i forhold til borestrengens sentrale lengdeakse 21 og er kjennetegnet ved målerne 62 og 64 som er montert på den sylinderformede utside av det rørformede parti 39 og som påvirkes av forholdsvis høyfrekvente aksiale utbøyninger eller bølger som er funnet å vandre langsmed ytterflaten av borestrengen 20. Målerne 62 og 64 er anordnet diametralt overfor hverandre og kan være elektrisk kablet i serie eller i en Wheatstone-brokobling. Orienteringen av målerne på enheten 36 er angitt i fig. 2 og deres vinkelstilling omkring lengdeaksen 21 er angitt i fig. 3. Et fjembart, ikke-metallisk deksel 67 er anordnet over følerelementene på enheten 36, og en effektkilde 71, slik som en batterienhet, kan være montert direkte på koblingsenheten 36.

De vektordiagrammer som har sammenheng med fig. 2 angir akselerasjonsretningene ved ethvert tidspunkt hvor et såkalt positivt akselerasjonssignal anvises av de forskjellige akselerometre som er montert på flensen 40. Akselerometeret 42 gir f.eks. et positivt

akselerasjonssignal som reaksjon på en vertikal nedoverrettet bevegelse, slik som angitt av vektoren 43. Akselerometeret 44 avgir et positivt akselerasjonssignal ved bevegelse tangentialt i en retning som er angitt ved vektoren 45 i dreieretningen med urviseren om aksen 21 vist i fig. 3. På liknende måte frembringer akselerometeret 48 et positivt utgangssignal som reaksjon på aksial bevegelse i retning av vektoren 47, mens akselerometeret 46 frembringer et positivt signal ved bevegelse i retning av vektoren 49 om aksen 11, og akselerometeret 50 avgir et positivt signal ved bevegelse bort fra aksen 11 i retning av vektoren 51. De stiplede vektorlinjer i fig. 2 forløper i motsatt retning i

forhold til de forskjellige tidligere nevnte vektorer og angir bevegelsesretningen ved de forskjellige akselerometre når et negativt amplitudesignal frembringes av hver av de forskjellige nevnte akselerometre.

Det skal igjen henvises til fig. 2, og også til fig. 4, hvor koblingsenheten 38 også er vist å være kjennetegnet ved et rørformet parti 69 som har en tverrstilt sylinderformet flens 70 samt også et avsnitt 72 med redusert diameter hvor det er montert motsatt anordnede spenningsmålere 74 og 76 for å måle forskyvning av enheten 38 under torsjonsvibrasjon av borestrengen. Det andre sett av spenningsmålere 76 er montert i en forgrening eller V-form motsatt spenningsmålerne 74 samt er fortrinnsvis elektrisk sammenkoblet i en passende brokrets. Tverrflensen 70 er utstyrt med et fjernbart deksel 78 for å omslutte spenningsmålerne 76 og 74 samt for å tildekke akselerometrene 80, 82 og 84 (fig. 4), for måling av henholdsvis tangentiale, aksiale og radiale akselerasjoner av enheten 38. Vektordiagrammet tilordnet dette sett av akselerometre 80, 82 og 84 angir at en vektor 85 har sammenheng med et positivt signal frembragt av akselerometeret 80 som reaksjon på tangentialbevegelse av enheten 38 om aksen 21, mens vektoren 87 tilsvarer en positiv oppoverrettet bevegelse ved akselerometeret 82 og en vektor 89 gjelder radial translasjonsbevegelse ved akselerometeret 84 utover fra aksen 21. Diameteren av flensen 70 bør naturligvis ikke være større enn det som vil tillate bevegelse av koblingsenheten 38 i den åpning som er utført for drivrørføringen 32 i skivelegemet 33.

Spenningsmålerne 74 og 76 og akselerometrene 80, 82 og 84 er utstyrt med passende signalledere som er ført langs et skaft 83 på enheten 38 innenfor en beskyttelsesmuffe 90 og derpå i et spor 92 i lengderetningen, som strekker seg gjennom drivrøret 34 og langs utsiden av koblingsenheten 36 som er beskyttet med en muffe 94, samt gjennom en passende passasje i flensen 40 til en signalbehandlingsforsterker og en radiosender-enhet angitt ved det felles henvisningstall 100. Senderenheten 100 er utstyrt med én eller flere FM-radiosendere 102 anordnet på bæreutstyr 104, for å stråle ut utgangssignaler til en mottagerantenne. Denne antenne kan befinne seg i avstand fra boreriggen 15 eller et arrangement, slik som det viste, kan være utstyrt med en antenne 106 montert på en bærer, som er kjennetegnet ved motstående, nedoverragende ben 108 og 110 festet til dreieneheten 17. De signaler som frembringes av spenningsmålerne og akselerometrene kan være forbehandlet, summert og skalatilpasset før utsendelsen fra senderenheten 100, for derved å frembringe signaler med større dynamisk område og følsomhet.

Antennen 106 er hensiktsmessig forbundet med en mottager 116 som i sin tur er tilsluttet den tidligere nevnte signaloverføringskabel 121 som overfører signalene frembragt av spenningsmålerne og akselerometrene ved hjelp av senderenheten 100 til signalbehandlings- og sammenligningssystemet 23. Sammenligningssystemet 23 kan omfatte utstyr for å omforme signalene til en form som kan analyseres av en digital datamaskin. På denne måte kan visse typer datamaskinbehandling utføres for å fastlegge spesielle vibrasjonsmodi for borestrengen 20. En utvalgt spektralanalyse av de motsatte signaler fra de forskjellige akselerometre og spenningsmålere kan utføres for å utpeke spesielle frekvenser og signalegenskaper. Sådan analyse samordnes så med målinger utført ved hjelp av nevnte gruppe av seismometre 24. Med en viss grad av tolkningsevne kan følgelig overflatemålinger utført av anordningen i henhold til oppfinnelsen kunne anvendes f.eks. for å fastlegge visse jordformasjonsegenskaper.

Utgangssignalene fra de forskjellige spenningsmålere og akselerometre er beskrevet mer inngående i US-patent nr. 4 715 451. Den spesielle type telemetrisystem for overføring av signaler fra borestrengen 20 til en mottaker, slik som mottakeren 116, kan naturligvis modifiseres til bruk av hensiktsmessig overføringsutstyr for signaloverføring ved hjelp av trådforbindelse eller for å avgi radiofrekvenssignaler i mikrobølgeområdet.

De signaler som frembringes av de forskjellige akselerometre kan samordnes for å fastlegge vibrasjonsmodus for borestrengen 20 og på grunnlag av en sammenligning av visse vibrasjoner, kan rotasjonshastigheten av borekronen 16 måles og borekronens samvirke med den formasjon som utbores kan også lett fastlegges. Da denne innbyrdes påvirkning kan medføre at gjentatte akustiske pulser frembringes og overføres gjennom formasjonen 10, kan opprinnelsestiden for en spesiell puls som overføres gjennom borestrengen 20 fastlegges og sammenlignes med ankomsttiden for den samme puls ved seismometrene 24, for å fastlegge visse egenskaper for formasjonen. Ved å utnytte det system som er beskrevet med henvisning til fig. 2-5, kan aksialvibrasjoner som gir seg til kjenne ved bølger som vandrer langs overflaten av borestrengen 20 typisk måles av spenningsmålerne 62 og 64, mens torsjonsvibrasjonsbølger som også vandrer langs borestrengens overflate måles av spenningsmålerne 74 og 76. Torsjonsvibrasjoner med forholdsvis stor amplitude kan påvises av akselerometrene 44, 46 og 80. Dersom utgangssignalene fra akselerometrene 44 og 46 for eksempel er ute av fase, slik som angitt ved vektorene 45 og 47, er det da en torsjonsvibrasjonsmodus som avføles. Dersom utgangssignalene fra akselerometrene 42, 48 og 82 er i fase, er det på lignende måte aksialvibrasjoner som opptrer, og hvis de signaler som frembringes av akselero metrene 42 og 48 for eksempel er ute av fase, er det en bøyevibrasjonsmodus for borestrengen som gir seg til kjenne.

Opprinnelsestidspunket for en akustisk puls som for eksempel skriver seg fra innbyrdes påvirkning mellom borekronen 16 og formasjonen 10 kan da fastlegges og den akustiske puls som løper oppover langs borestrengen 20 kan sammenlignes med det signal som mottas av de forskjellige seismometre 24 i den gruppe som er vist i fig. 1. Stedet hvor det er innbyrdes påvirkning mellom borekronen 16 og formasjonen 10 kan for eksempel fastlegges ved å måle torsjonsvibrasjoner og aksialvibrasjoner som oppviser et bestemet innbyrdes forhold. Da avstanden fra overflaten 25 til borekronen 16 kan være kjent eller lett kan fastlegges, og den aksiale og torsjonale akustiske bølgehastighet i materialet i borestrengen 20 kan fastlegges, kan tidsbestemmelse av den hendelse som førte til en akustisk puls med spesielle karakteristiske egenskaper bestemmes. Den longitudinale eller aksiale bølgehastighet og torsjonsbølgehastighet for et bestemt material, slik som stål, kan for eksempel fastlegges når materialets elastisitetsmodul og densitet er kjent. Ligningene for longitudinal- og torsjonsbølgehastighet i stål er angitt i en artikkel med tittel "Detection of Various Drilling Phenomena Utilizing High Frequency Surface Measurements" av A.A. Besaisow m.fl., SPE 14327, The Society of Petroleum Engineers, P.O. Box 833836, Richardson, Texas 75083, U.S.A.

Når avstanden Z i fig. 1, fra enhetene 36 eller 38 til borekronen 16 er kjent, kan signaler som tas ut fra en av disse enheter og som angir en aksialvibrasjonsmodus eller en torsjonvibrasjonsmodus, anvendes for å bestemme tidspunktet for signalets utspring som så korreleres med de signaler som mottas av seismometrene 24. Da avstanden Z = Va • ta for aksiale vibrasjoner, og hastigheten Va for aksiale bølger i stål kan fastlegges, kan også tiden ta bestemmes ut i fra en slik ligning. Hvis avstanden skal bestemmes ut i fra målingen av et torsjonssignal og sammenlignes med et signal som mottas av gruppen av seismometre 24 og har en torsjonskarakteristikk, så vil på lignende måte tiden t0kunne fastlegges ut i fra ligningen Z = Vo • t0. Egenskapene av de signaler som mottas av enhetene 36 og 38 kan sammenholdes med signaler som mottas av gruppen av seismometre 24 ved anvendelse av en kryss-korrelasjonsteknikk. En sådan teknikk omfatter typisk valg av verdier for de forskjellige signaler med forholdsvis små innbyrdes tidsmellomrom for aksialsignaler og torsjonssignaler som avføles av følerne på koblingsenheten 36 samt trykk- eller skjærspenningssignaler som avføles av seismometrene 24. For hvert tidsmellomrom (t,, t2, t3...) sammenlignes et aksialsignal avfølt av følerne på enheten 26 med et trykkbølgesignal som avføles av seismometrene 24. Alternativt kan et torsjonsvibrasjonssignal som avføles av følerne på enheten 36 sammenlignes med et skjærbølgesignal eller såkalt torsjonsbølgesignal avfølt av seismometrene 24. De forskjellige signalamplituder eller en beslektet verdi for hvert signal multipliseres og summeres for å frembringe et kryss-korrelasjonssignal. Inkrementverdiene forskyves i tid og summeres inntil en toppsummeirngsverdi oppnås som funksjon av tidsforskyvning-en, og den tidsforskyvning som tilsvarer toppverdien fastlegges til å være tidsforskjellen mellom ankomsten av signalet til vedkommende koblingsenhet og ankomsten av samme signal til gruppen av seismometre 24.

I visse tilfeller kan den nøyaktige stedsbestemmelse for opprinnelsen av det signal som måles ved enhetene 36 eller 38 samt av seismometergruppen 24 være ukjent. De mottatte signaler av følerne på enhetene 36 og 38 kan imidlertid sammenlignes og kryss-korreleres for å bestemme opprinnelsesstedet for signalet. I fig. 6 og 7 er det som et eksempel vist egenskaper ved et bestemt signal. I fig. 6 er det således angitt et signal som avføles av seismometrene 44 og 46 og som angir en aksialvibrasjon. Kurven eller signalkarakteristikken 130 i fig. 6 omfatter topper 130a, 130b og 130c. Ved overvåkning av torsjonsvibrasjonene på borestrengen 20, kan signaler med lignende egenskaper målt av akselerometrene 42 og 48 avføles for å utlede en karakteristisk kurve 132, som er vist i fig. 7. Samhørigheten mellom signalene 130 og 132 er angitt ved toppene 132a, 132b og 132c som har lignende amplitude og form som funksjon av tiden, men er mottatt av akselerometrene 42 og 48 ved et senere tidspunkt enn de signaler som mottas av akselerometrene 44 og 46 for aksialvibrasjoner.

Kryss-korrelasjonsteknikken kan følgelig anvendes for å sammenligne signalene i fig. 6 og 7 og derved fastlegge tidsforskjellen mellom ankomsten av det aksialt forplantede signal til enheten 36 og det torsjonsforplantede signal til samme enhet. Opprinnelsesstedet for vedkommende signal på borestrengen 20 kan da utledes fra ligningen: hvor:

Siden kryss-korrelasjonsteknikken kan anvendes for å bestemme avstanden Z fra enheten 36, eller eventuelt fra enheten 38, til opprinnelsespunktet for det signal som måles, kan såsnart denne avstand Z er kjent og aksialbølgehastigheten og torsjons-bølgehastigheten eller de akustiske hastigheter i borestrengen 20 er kjent, opprinnelsestiden for det målte signal lett fastlegges ut i fra de ovenfor angitte ligninger.

Kryss-korrelasjonsteknikken antas ikke å behøve nærmere omtale her. Visse referanser som behandler kryss-korrelasjonsanalyse omfatter en avhandling med tittelen "Random Data Analysis and Measurement Procedures", 2. utgave, J.S. Bendat og A.G. Piersol; John Wiley & Sons, New York, 1986. For forholdsvis lavfrekvente signaler mindre enn ca. 100 Hz, kan den såkalte impulsreaksjonsfunksjon gi en bedre og mer nøyaktig fastleggelse av tidsforsinkelsen mellom signalmottagelsene for enhetene 36 eller 38 samt også for gruppen av seismometre 24. Enhetsmålinger av enhetsimpulsreaksjon er omtalt i en publikasjon med tittel "Engineering Applications of Correlation and Spectral Analysis" av J.S. Bendat og A.G. Piersol; John Wiley & Sons, New York, 1980.

Bestemmelse av opprinnelsestidspunktet for et akustisk signal som frembringes ved rotasjon eller anslag av borekronen 16, eller en annen kilde i nærheten av borekronen 16 og som er i stand til å sende akustiske pulser gjennom borestrengen 20 såvel som formasjonen 10, vil følgelig i vesentlig grad forbedre mulighetene for å bestemme formasjonens egenskaper uten at borearbeidet avbrytes.

Det vibrasjonsmålesystem som er beskrevet her er videre istand til å øke frekvensbåndbredden for brukbare signaler samt oppløsningen av signalene som kan brukes for å bestemme formasjonsegenskaper. Det beskrevne system gjør det også lettere å skille anslagsvibrasjoner fra kontinuerlige bølgevibrasjoner, for med større nøyaktighet å kunne fastlegge opprinnelsestidspunktet for et akustisk signal, og gir multisignalreferanser for både en trykksignaltype og en skjærsignaltype, således at både akustiske trykksignal-pulser og skjærsignalpulser kan måles ved hjelp av seismometrene 24. Det antas for eksempel at en torsjonsvibrasjon frembragt av dreiebevegelse av borekronen 16 forplantes oppover langs borestrengen og måles av akselerometrene 44 og 46, samtidig som en torsjonsbølge overføres gjennom formasjonen 10 og måles av en kombinasjon av motstående seismometre 24 som er anordnet på hver sin side av aksen 21. Skjær-hastigheten i vedkommende formasjonsområde kan da lett bestemmes såvel som trykkbølgehastigheten.

Den antagelse at akustiske bølgeformer som frembringes ved vibrasjon av borekronen 16 eller for eksempel ved innbyrdes påvirkningsutveksling mellom borestrengen 20 og brønnboringen 14, ikke vil bli vesentlig forandret etterhvert som de forplanter seg langs borestrengen, hviler på den antagelse at det er liten virkning på signalene som skriver seg fra selve borestrengens respons. Denne antagelse kan være forholdsvis nøyaktig for vibrasjoner i området 0-100 Hz. For vibrasjoner over ca. 100 Hz vil det oppstå refleksjoner av spenningsbølger ved skjøtepunkter i borestrengen, hvilket vil forandre den signalform som avleses av følerne på enhetene 36 og 38. Resultatet av dette fenomen er at overføringen av signaler innenfor visse frekvensbånd blokkeres og signalmønstrene forandres i vesentlig grad. En utfoldingsprosess kan imidlertid anvendes for å fjerne virkningen av de forandrede bølgeformer på grunn av nærvær av skjøter eller koblinger i borestrengen 20 eller andre konstruksjonstrekk ved borestrengen som er tilbøyelig til å forvrenge formen av de bølger som løper langs borestrengen. Denne utfoldingsprosess krever imidlertid en forutsigelse av borestrengens reaksjoner på de signaler som for eksempel frembringes ved vibrasjon av borekronen 16, hvorpå virkning-ene av borestrengens reaksjon substraheres fra signalene målt av følerne på enhetene 36 og 38. Sådanne utfoldingsprosesser omtales i "Seismic Data Processing", Ozdogan Yilmatz; Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, Oklahoma, 1987.

Takket være anordning av flere følere på selve borestrengen kan diskriminerende analyse av signaler frembragt av de forskjellige følere oppnås og tillate tilpasset filtrering og forbedrede utfoldingsprosesser for å eliminere tilfeldige signaler eller "støy". Videre vil det særegne arrangement av følerenheter i selve borestrengen medføre en forbedret signalfølsomhet uten forstyrrelse av boreprosessen.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å utlede seismiske data angående en jordformasjon samtidig som en brønnboring utføres i nevnte formasjon med en borestreng som har en borekrone eller lignende anordnet i den nedre, fjerntliggende ende av strengen, og hvor: - det anordnes vibrasjonsfølende utstyr som tilkobles et øvre avsnitt av borestrengen og er innrettet for å frembringe elektriske signaler i samsvar med vibrasjoner i borestrengen, - det opprettes en gruppe seismometre som anbringes på jordoverflaten hovedsakelig i nærheten av nevnte brønnboring, - det måles første signaler frembragt av det vibrasjonsfølende utstyr som følge av vibrasjoner som forplanter seg langs borestrengen, og - det måles andre signaler som frembringes av nevnte gruppes seismometere som følge av borestrengvibrasjoner som overføres gjennom nevnte jordformasjon,karakterisert vedat: - opprinnelsesstedet for nevnte vibrasjoner i borestrengen fastlegges ved å måle forskjellen i ankomsttid til det vibrasjonsfølgende utstsyr for henholdsvis en torsjonsvibrasjonskomponent og en aksialvibrasjonskomponent av de vibrasjoner som forplantes gjennom borestrengen, samt ved å ta med i beregningen forplantningshastigheten i borestrengen for såvel torsjonsvibrasjoner som aksialvibrasjoner, og - opprinnelsestidspunktet for vibrasjonene bestemmes ut i fra det fastlagte opprinnelsessted for vibrasjonene samt en vibrasjonsforplantningshastighet i borestrengen, og - første og andre signaler sammenlignes for å fastlegge karakteriserende egenskaper for nevnte formasjon.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat opprinnelsestedet for nevnte første signal er bestemt ved ligningen:

hvor Z er avstanden fra opprinnelsesstedet for nevnte vibrasjonsfølende utstyr, Va er aksialvibrasjonenes forplantningshastighet i borestrengen, V0er torsjonsvibrasjonenes forplantningshastighet i strengen, At er forskjellen i ankomsttid til det vibrasjonsfølende utstyr mellom henholdsvis torsjonsvibrasjonskomponenten og aksialvibrasjonskomponenten gjennom borestrengen, og AV er Va - V0.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat nevnte tidsforskjell bestemmes ved kryss-korrelasjon av torsjonsvibrasjonskomponenten og aksialvibrasjonskomponenten.

4. Fremgangsmåte som angitt i ett av de forutgående krav, karakterisert vedat nevnte vibrasjoner som måles ved første og andre signal er sådanne vibrasjoner som frembringes ved innbyrdes påvirkning mellom en del av borestrengen og nevnte jordformasjon.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert vedat de målte vibrasjoner ved nevnte første og andre signal er slike vibrasjoner som frembringes ved innbyrdes påvirkning mellom borekronen og nevnte formasjon.

6. Fremgangsmåte som angitt i ett av de forutgående krav, karakterisert vedat det som nevnte vibrasjonsfølende utstyr utnyttes minst et første akselerometer i avstand fra borestrengens lengdeakse for å frembringe signaler med positiv og negativ amplitude som reaksjon på torsjonssvingninger i borestrengen, samt minst et andre akselerometer på borestrengen og i avstand fra det første akselerometer, og hvor: - de frembragte signaler av nevnte første og andre akselerometer sammenlignes for å måle en torsjonsmodus av borestrengens vibrasjoner, - målesignaler frembringes fra et første seismometer i nevnte gruppe på den ene side av nevnte lengdeakse og et andre seismometer i nevnte gruppe rett overfor det første seisometer på den annen side av lengdeaksen, og - signaler fra nevnte første og andre akselerometer sammenlignes med de frembragte signaler av første og andre seismometer, for derved å bestemme skjærbølgehastig-heten i nevnte jordformasjon.

7. Fremgangsmåte for å oppnå seismiske data angående en jordformasjon hvor en brønnboring trenger igjennom formasjonen med en borestreng inne i brønnboringen, og hvor: - det anordnes utstyr tilordnet borestrengen for å frembringe vibrasjoner for forplantning gjennom borestrengen og nevnte formasjon under borearbeider, - det anordnes vibrasjonsfølende utstyr forbundet med et øvre avsnitt av borestrengen, idet nevnte utstyr er innrettet for å frembringe elektriske signaler i samsvar med vibrasjonene i borestrengen, - det opprettes en gruppe seismometre som anordnes på jordoverflaten i nærheten av brønnboringen, - det måles første signaler frembragt av nevnte vibrasjonsfølende utstyr som følge av borestrengens vibrasjoner, og - det måles andre signaler frembragt av nevnte gruppe seismometere som følge av vibrasjoner som overføres gjennom jordformasjonen og frembringes av nevnte utstyr for å frembringe vibrasjoner, karakterisert vedat opprinnelsestidspunktet for vibrasjonene fastlegges ved å beregne opprinnelsesstedet for nevnte vibrasjoner ut i fra tidsforskjellen mellom ankomsten av en torsjonsvibrasjonskomponent og av en aksial vibrasjonskomponent til nevnte vibrasjonsfølende utstyr gjennom borestrengen, samt forplantningshastigheten for aksial- og torsjonsvibrasjonene i nevnte borestreng, og nevnte første og andre signaler sammenlignes.

8. Fremgangsmååte som angitt i krav 7, karakterisert vedat opprinnelsesstedet for nevnte vibrasjon bestemmes ved ligningen:

hvor Z er avstanden fra opprinnelsespunktet for vibrasjonene til det vibrasjonsfølende utstyr, Va er aksialvibrasjonenes forplantningshastighet i borestrengen, V0er torsjonsvibrasjonenes forplantningshastighet i strengen, At er forskjellen i ankomsttid til det vibrasjonsfølgende utstyr mellom torsjonsvibrasjonskomponenten og aksialvibrasjonskomponenten gjennom borestrengen, og AV er Va - V0.

9. Fremgangsmåte for å utlede seismiske data angående en jordformasjon samtidig som en brønnboring utføres i nevnte formasjon med en borestreng som har en borkrone eller lignende anordnet i den nedre, fjerntliggende ende av strengen, og hvor: - det anordnes vibrasjonsfølende utstyr som tilkobles et øvre avsnitt av borestrengen, samt er innrettet for å frembringe elektriske signaler i samsvar med vibrasjoner i borestrengen, idet nevnte vibrasjonsfølende utstyr omfatter midler for å påvise aksialvibrasjoner i borestrengen, samt videre minst et første akselerometer i avstand fra borestrengens lengdeakse for å frembringe signaler som følge av torsjonsvibrasjon av borestrengen, samt minst et andre akselerometer på borestrengen og i avstand fra det første akselerometer, - det opprettes en gruppe seismometre anordnet på jordoverflaten hovedsakelig i nærheten av brønnboringen, og med minst et første seismometer og et andre seismometer i avstand fra hverandre og fra nevnte lengdeakse, - det måles signaler som frembringes av det vibrasjonsfølende utstyr som følge av borestrengens vibrasjoner, og - det måles signaler som frembringes av nevnte gruppe av seismometre som følge av vibrasjoner som overføres gjennom nevnte jordformasjon, karakterisert vedat: - de signaler som frembringes av nevnte vibrasjonsfølende utstyr sammenlignes for å fastlegge aksialmodus og torsjonsmodus for borestrengens vibrasjoner, og - signalene som frembringes av det vibrasjonsfølende utstyr sammenlignes med signalet frembragt av nevnte første og andre seismometer for å bestemme skjær-bølgehastigheten i nevnte jordformasjon.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert vedat utstyret for å påvise aksialvibrasjoner omfatter minst en deformasjonsmåler.