NO306270B1

NO306270B1 - FremgangsmÕte og apparat for Õ detektere innströmning i en brönn under boring

Info

Publication number: NO306270B1
Application number: NO912564A
Authority: NO
Inventors: Daniel Codazzi
Original assignee: Anadrill Int Sa
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1999-10-11
Also published as: NO912564L; CA2045932A1; NO970447D0; DE69106246D1; NO970446L; EP0621397B1; DE69129045D1; EP0466229A1; NO912564D0; US5275040A; NO970446D0; NO306219B1; EP0466229B1; EP0621397A1; NO306220B1; NO970447L; CA2045932C

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører deteksjon av inn-strømning av et fluidum, særlig en gassinnstrømning eller "støt" (kick) i borehullet til en olje- eller gassbrønn.

Mer spesielt vedrører oppfinnelsen fremgangsmåter og apparater for akustisk detektering av en gassinnstrømning under boring av borehullet.

Vanligvis er det hydrostatiske trykket til borefluid-søylen i en brønn større enn trykket av formasjonsfluidene for derved å forhindre innstrømning av formasjonsfluider i borehullet. Når det hydrostatiske trykk faller under trykket til formasjonsfluidene, kan formasjonsfluidene tre inn i brønnen. Hvis denne strømningen er forholdsvis liten og forårsaker en minskning av tettheten til slammet målt på overflaten, blir borefluidet sagt å være "gasskuttet", "saltvannskuttet" eller "oljekuttet" i hvert tilfelle. Når det inntreffer en merkbar økning i volumet i slamgropen, den tidligere vanlige fremgangsmåte for deteksjon av gassinnstrømning, er hendelsen kjent som et "støt" eller"kick". En ukontrollert innstrømning av formasjonsfluider i borehullet og opp til overflaten, er en "utblåsning".

Sålenge hydrostatisk trykk styrer brønnen blir sirkulasjon gjennomført ved å benytte en strømningsledning, eller brønnen kan være åpen mens borkronen fjernes. Hvis et støt inntreffer, er det nødvendig med utblåsningshindrende utstyr og tilbehør for å lukke brønnen. Dette kan gjøres med en ringformet utblåsningssikring, med rørstempler eller med hovedstempler når borerøret er ute av hullet.

I tillegg er det nødvendig med anordninger for å pumpe borefluid inn i brønnen og muliggjøre kontrollert unnslipning av fluider. Innsprøyting eller injeksjon blir utført enten ned gjennom borerøret eller gjennom en av stoppeledningene, og strømning fra brønnen blir kontrollert ved hjelp av en variabel åpning eller innsnevring festet til en strupeledning. Strupeledninger er anordnet slik at brønneffluenter kan dirigeres til enten en reservegrop hvor uønsket fluid blir tømt, eller til en slam/gass-separator, avgasser og slamgrop hvor ønsket fluid blir avgasset og bevart. Ved å bruke dette utstyret blir fluider med lav tetthet fjernet og erstattet med fluid med høyere tetthet som er i stand til å kontrollere brønnen.

Som nevnt har deteksjon av støt under boring tidligere vanligvis blitt indikert ved å observere og overvåke strøm-ningshastigheten til returslammet og/eller volumet i slamgropen. Følgelig har de fleste rigger som bruker boreslam til å kontrollere trykket i borehullet, en eller annen form for nivå-indikeringsanordning for å indikere økning eller tap av slam. En nivåindikerende og registrerende anordning for slambeholdere, slik som et kurvepapir, er vanligvis anbragt i en stilling slik at boreoperatøren kan se papiret under boringen. Når det inntreffer et støt, vil det overflatetrykket som er nødvendig for å holde det tilbake, i stor grad avhenge av hurtig lukning av sikkerhetsventilen mot utblåsning og det gjelder å holde så meget slam som mulig i brønnen.

En strømningsmåler som viser relative endringer i returslamstrømningen har også blitt brukt som en varselanordning fordi slamopphopning i styreanordninger for faststoff, avgassingsanordninger og blandeutstyr påvirker det gjennomsnittlige slamnivå i slambeholderen. Slike fluktuasjoner i slamnivået som skyldes slike faktorer, inntreffer periodisk under boring og kan inntreffe samtidig med et støt. Når slike forhold er tilstede, kan en returstrømningshastighet være den første indikasjon på et støt.

For å bestemme støt så tidlig som mulig under boring, benytter boreoperatøren vanligvis momentane registreringer av gjennomsnittlig volum i slamgropen, slamøkning eller tap fra gropen og returstrømningshastighet. Fortrinnsvis blir slamgropvolumet og returstrømningshastigheten registrert på boredekket slik at tendenser kan fastslås. Så snart en uventet endring i tendensene til slike parametere inntreffer, kontrollerer operatøren om det foreligger en støttilstand.

Fordi et støt kan føre til en utblåsning med mulige katastrofale resultater for brønnen, er det tidligere gjort forsøk på å oppnå informasjon med hensyn til gassinnstrømning i borehullet før slik innstrømning påvirker slamgropvolumet eller returstrømningshastigheten. F.eks. beskriver US-patentene 4.733.233 og 4.733.232 en teknikk hvor en trykktransduser på overflaten avføler akustiske ringrom-variasjoner i returslamstrømmen og en annen trykktransduser på overflaten avføler akustiske borestreng-variasjoner i den inngående slamstrøm. I US-patent nr. 4.733.232 frembringer en "bølgegenerator" nede i hullet et akustisk signal i det soniske området. Signalet blir målt på overflaten i borestrengen og i ringrommet. Endringer i den målte differanse mellom amplitude og fase mellom ringrom- og borestrengsignalene sies å indikere at fluiduminnstrømning i ringrommet har inntruffet.

I US-patent nr. 4.733.233 frembringer en MWD-sender nede i borehullet et tog med pulser i det subsoniske eller soniske frekvensområdet. Pulstogene blir avfølt på overflaten i ringrommet og i borestrengen eller slamrøret med trykktransdusere. En endring i amplituden av ringrom-signalet når det ikke inntreffer noen endring i amplituden til borestreng-signalet, blir brukt til å indikere nærværet av en fluidinnstrømning i borehullet. En endring i fasevinkelen mellom det på overflaten mottatte ringrom-signal og det på overflaten mottatte borestreng-signal, blir også brukt til å indikere en fluidinnstrømning i borehullet.

Slike amplitude- og fase-sammenligninger mellom ringrom- og borestreng-signaler på overflaten som forplanter seg oppover gjennom henholdsvis ringrommet og borestrengen fra en MWD-kommunikasjonssender, antas å være unøyaktige i mange tilfeller. Amplitudesammenligninger av slike signaler er vanskelige i virkelige boreomgivelser på en rigg og ved dype borehull på grunn av støy som samtidig måles i ringrommet og borestrengen, og også på grunn av variasjoner mellom slamtemperaturen i ringrommet og borestrengen. Faseforskjellen mellom ringrom- og borestreng-signalene er uungåelig tvetydige på grunn av at fasen til ringrom- signalet kan være mindre enn eller større enn 360 grader (2 n) fra fasen til borestrengsignalet.

US-patent nr. 4.733.233 antyder at en

korrelasjonsfunksjon kan oppnåes mellom ringrom- og borestreng-signalene og at slike signaler har et fiksert tidsforhold x. Patentet antyder videre at karakteristikker ved ringrommet og borestrengen kan bestemmes nøyaktig på kontinuerlig basis under boring, og at hvis karakteristikker ved ringrom- og borestreng-signalene blir forstyrret i overkant av en forutbestemt grense kan en alarm energiseres.

Desverre har en direkte korrelasjonsprosess som antydet i dette patentet, vist seg å være ubrukbar uten en forklaring på hvordan ringrom- og borestreng-signalene skal "kondisjoneres" før korrelasjonsprosessen.

En annen teknikk for å bestemme fluidinnstrømning i borehull under boring, er beskrevet i US-patent nr. 4.273.212. Dette patentet beskriver energisering av en transduser for å overføre et akustisk signal ned gjennom ringrommmet mellom borehullet og borestrengen. En mottager er anordnet for å motta reflektert akustisk energi på overflaten. Slik akustisk energi blir reflektert fra bunnen av hullet og også fra grenseflaten mellom borefluidum i ringrommet og fluiduminnstrømning. Denne teknikken antas ikke å være brukbar i virkelige boreomgivelser på en borerigg på grunn av vanskeligheten med å skjelne refleksjoner fra bunnen av hullet, refleksjoner fra diskontinuiteter i borehullsforingen og refleksjoner fra virkelige endringer i slamtettheten som forårsakes ved fluidinnstrømning. Dessuten er teknikken ifølge dette patentet vanskelig fra et praktisk synspunkt fordi den krever sirkulasjon gjennom strupingen.

I US-patent nr. 4.299.123 beskrives en metode der trykksensorer innsatt i ringrommet og slamrøret produserer signaler som representerer de respektive målte trykk som en funksjon av tid. Disse trykktrasene korreleres deretter for å bestemme gangtiden mellom sensorposisjoner for en trykkbølge i slammet og en gjennomsnittlig gangtid per enhetslengde av borestrengen. Etterfølgende målinger utføres og de gjennomsnittlige gangtidene sammenlignes. En økning i gjennomsnittlig gangtid er et tegn på inngang av gass i ringrommet. Denne metoden for deteksjon av fluidinnstrømning anvender transiente trykkpulser, slike som produseres ved å starte slampumpene eller ved å åpne og lukke en ventil for å produsere en trykkbølge som så korreleres til å måle gangtid. Alternativt foreslås svekking av amplituden til de normale trykkvariasjonene skapt av slampumpene som en indikasjon på gass som går inn i borehullet.

En annen teknikk for å bestemme fluidinnstrømning inn i borehullet under boring beskrives i US-patent nr. 4.520.665. Den fremlagte metoden består av å danne minst en trykkbølge i en borevæske som sirkulerer inni midler for å bore i formasjonen og deretter måle forplantningstiden for trykkbølgen mellom et innløpspunkt og et utløpspunkt i boremidlene. Innløpspunktet svarer til punktet der borevæskene injiseres og inneholder derfor ikke noen spor av et reservoarfluid. Utløpspunktet er lokalisert i boreslamreturen og svarer til et punkt der hastigheten til trykkbølgen i borevæsken har blitt modifisert av reservoarfluidet.

I lys av det ovenstående er det hovedformål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et praktisk fluid-innstrømningssystem for en borerigg ved rotasjonsboring. Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en praktisk måte for under boring å bestemme fluidinnstrømning i et borehull ved å sammenligne overføringstid til overflaten via ringrommet og med overføringstiden gjennom borestrengen for et slampulstog for MWD-kommunikasjon.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en praktisk måte til bestemmelse av fluidinnstrømning i et borehull mens det bores, ved å sammenligne overføringstid til overflaten via ringrommet med overføringstiden til overflaten inne i borestrengen av borestøy som genereres ved

vekselvirkningen mellom borkronen og bergarten.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en praktisk måte til bestemmelse av fluidinnstrømning i et borehull mens det bores ut fra en standbølge-analyse av størrelsen til periodiske akustiske signaler som forårsakes av slampumpene til boreriggen.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en praktisk måte til å bestemme fluidinnstrømning i et borehull mens det bores, ut fra analyse av den totale overføringstid for slampumpeslag ned gjennom borestrengen og opp i ringrommet i det tilfellet hvor to eller flere slampumper benyttes.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en praktisk måte til å bestemme fluidinnstrømning i et borehull mens det bores, fra analyse av total overføringstid for slampumpe-trykkbølger ned gjennom borestrengen og opp i ringrommet.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en praktisk måte til å bestemme fluidinnstrømning i et borehull mens det bores, fra analyse av en frekvens- eller Doppler-forskyvning av akustiske signaler som genereres av slampumpene mellom en slamrør- og ringrom-transduser.

Et annet formål med oppfinnelsen er samtidig å kreve en fluidinnstrømningsbestemmelse (1) fra en standbølgeanalyse for en slampumpe, (2) fra en forplantningsanalyse av slampumpeslag og (3) fra en overføringstidsanalyse av et slampulstog for en MWD-forbindelse eller en støykilde nede i borehullet i forbindelse med vekselvirkningen mellom borkronen og formasjonen før en fluidinnstrømningsalarm blir gitt til en boreoperatør.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe apparater for å informere en boreoperatør om posisjonen og størrelsen til en gassplugg som har kommet inn i borehullet.

Formålene over ble oppnådd med den foreliggende oppfinnelse som i et aspekt omfatter et apparat for å detektere fluidinnstrømning i et borehull med et boresystem omfattende en borestreng avsluttet med en borkrone, der borestrengen avgrenser et ringrom mellom sin ytre diameter og borehullet, idet systemet omfatter en borefluidpumpe for å pumpe borefluid nedover gjennom et slamrør og borestrengen og oppover gjennom ringrommet til overflaten, omfattende: a) en trykkdetekterende anordning nær overflaten av systemet for å generere et ringrom-trykksignal som en funksjon av tiden, hvilket er representativt for trykkoscillasjonen i borefluidet i ringrommet, som forårsakes av borefluid-pumpen; b) en trykkdetekterende anordning nær overflaten av systemet for å generere et slamrør-trykksignal som en funksjon av tiden, hvilket signal er representativt for trykkoscillasjonen i borefluidet i slamrøret, forårsaket av borefluid-pumpen, idet apparatet ifølge oppfinnelsen videre er kjennetegnet ved: c) en anordning for å bestemme fasedifferanse som en funksjon av tid mellom ringrom-trykksignalet og slamrør-trykksignalet ved en spesiell oscillasjonsfrekvens for borefluidet forårsaket av borefluid-pumpen; d) en anordning for periodisk å bestemme den totale løpetid for en borefluid-trykkbølge langs en bane som avgrenses av slamrøret ned gjennom borestrengen og oppover langs ringrommet til overflaten som en funksjon av fasedifferansen og den spesielle oscillasjonsfrekvens; e) en anordning for å bestemme endringshastigheten av den totale løpetid, og f) en anordning for å sammenligne endringshastigheten for den totale løpetid med en forutbestemt grense for å

generere et støt-alarmsignal hvis denne grensen overstiges.

En ytterligere utførelsesform av apparatet er angitt i det uselvstendige krav 2.

I et annet aspekt omfatter den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å detektere fluidinnstrømning i et borehull med et boresystem omfattende en borestreng avsluttet av en borkrone der borestrengen avgrenser et ringrom mellom sin ytre diameter og borehullet, idet systemet omfatter en borefluid-pumpe for å pumpe borefluid nedover gjennom et slamrør og borestrengen og oppover gjennom ringrommet til overflaten, omfattende de følgende trinn: a) detektering nær systemets overflate av et ringrom-trykksignal som en funksjon av tiden, hvilket er representativt for trykkoscillasjonen i borefluidet i ringrommet, som forårsakes av borefluid-pumpen; b) detektering nær systemets overflate av et slamrør-trykksignal som en funksjon av tiden, hvilket er representativt for trykkoscillasjonen i borefluidet i slam-røret, forårsaket av borefluid-pumpen, idet fremgangsmåten er kjennetegnet ved følgende trinn: c) bestemmelse av fasedifferansen som en funksjon av tiden mellom ringrom-trykksignalet og slamrør-trykksignalet ved en spesiell oscillasjonsfrekvens av borefluidet som forårsakes av borefluid-pumpen; d) bestemmelse av den totale løpetid som en funksjon av tiden for en borefluid-trykkbølge langs en bane avgrenset av slamrøret nedover langs borestrengen og oppover langs ringrommet til overflaten som en funksjon av fasedifferansen og den spesielle oscillasjonsfrekvens; e) bestemmelse av endringshastigheten til den totale løpetid; og f) sammenligning av endringshastigheten til den totale løpetid med en forutbestemt grense for å generere et

støt-alarmsignal hvis grensen blir overskredet.

En ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten er angitt i det uselvstendige krav 4.

Gassinnstrømning i et borehull som vanligvis kalles et støt eller "kick" av spesialister på olje- og gassboring etter at det når overflaten, blir fortrinnsvis detektert ved hjelp av flere beslektede metoder under aktiv drilling av et borehull. Disse fremgangsmåtene oppfyller enkeltvis eller samlet de formål som er nevnt ovenfor og har også andre fordeler og trekk. Fremgangsmåtene er komplementære ved at en fremgangsmåte beror på måling av akustisk energi gjennom en gassplugg, mens de andre avføler en refleksjon fra en gassplugg. Hver fremgangsmåte kan benyttes uavhengig for å bestemme om en fluidinnstrømning (vanligvis gass) har inntruffet, men fortrinnsvis er den samtidige deteksjon av gassinnstrømning nødvendig for å generere en alarm for boreoperatøren. Begge fremgangsmåtene blir fortrinnsvis brukt til å fastslå størrelsen og posisjonen til en detektert fluidinnstrømning.

En fremgangsmåte er basert på forekomsten av standbølgemønsteret generert av trykkoscillasjoner i boreriggens slampumpe. Målt i ringrommet og normalisert ved hjelp av slamrør-avlesninger, danner slike stambølgemønstre sekvenser av maksimums- og minimumstopper og -daler med en tidsavstand mellom topper (eller daler) lik den tid som er nødvendig for at det gasskuttede slam skal forskyves over en avstand lik en halv bølgelengde av en stambølge med en frekvens lik frekvensen til slampumpene. En fremgangsmåte og et apparat er tilveiebragt for å bestemme at en gassinnstrømning har inntruffet ved å detektere forekomsten av slike topper over en forutbestemt størrelse, og et gassinnstrømnings-standbølge-signal blir frembragt. Tiden mellom slike topper, den medgåtte tid fra den første topp over nevnte forutbestemte størrelse, gasskutt-slampluggens oppadgående hastighet i borehullet, og den avstand som en slik plugg har beveget seg fra bunnen av borehullet, blir alle bestemt fra en slik standbølge-fremgangsmåte og et slikt apparat. Fasedifferansen mellom ringrom- og slamrør-pumpesignalene er også en utmerket gassindikator. Ved vanlig stabil drift er denne f asedif f eransen k it hvor k er et heltall, en velkjent egenskap ved standbølger. Skulle en gassinnstrømning inntreffe, øker forplantningstiden mellom stamrøret og ringrommet, noe som medfører en økende fasedifferanse mellom de to sensorene. Jo mere gass jo hurtigere øker fasedifferansen. Hastighetsøkningen med tiden for denne fasedifferansen blir derfor også brukt til å anslå mengden av innstrømmende gass.

En annen fremgangsmåte vurderer differansen i ankomsttid for modulerte pulstog som ankommer til overflaten i ringrommet med boreslam og i borerørets boreslam. Bærerpulstog er fase- eller frekvensmodulert ved hjelp av en modulator/sender i borestrengen nær bunnen av borehullet. Parametere målt nede i hullet i form av digitale ord, blir brukt til å modulere slike bærerpulstog. Differansen i ankomsttider på overflaten av slike digitale ord som er større enn en forutbestemt størrelse, indikerer gassinnstrømning. En fremgangsmåte og et apparat er tilveiebragt for å bestemme slike differanse i ankomsttid og til å bruke den som en indikator på gassinnstrømning. En slik "delta ankomsttid"-fremgangsmåte er basert på det faktum at smal båndpassfiltrering av de mottatte ringrom- og borerør-signaler omdanner slike opprinnelige fase- eller frekvensmodulasjonssignaler til

amplitudemodulasjonssignaler. De amplitude-modulerte signaler blir så omformet for å oppnå frekvensenergi-spektre for hvert. Et krysspektrum blir så oppnådd og inverst Fourier-transformert tilbake i tidsdomenet for å oppnå en krysskorrelasjonsfunksjon mellom de amplitude-modulasj onssignalene.

Abscissen for maksimumsverdien av en slik krysskorrelasjonsfunksjon korresponderer til differansen i ankomsttid av ringrom- og borerør-signalene. En slik funksjon blir bestemt i sann tid for derved å frembringe et signal DT(t) av sann tids forsinkelsen mellom de mottatte ringrom- og borerør-signaler. Amplituden til DT(t) indikerer gassinnstrømning hvis den er større enn en forutbestemt maksimalverdi. Hvis amplituden til DT er større enn en slik maksimalverdi, blir et DT-fluidinnstrømningssignal generert.

Det er god praksis å normalisere krysskorrelasjons-funksjonen med det geometriske gjennomsnitt av signalspektrene. Resultatet er krysskorrelasjonskoeffisienten hvis størrelse varierer mellom -1 og +1. Størrelsen av krysskorrelasjonskoeffisienten er en indikator på kvaliteten av korrelasjonen. Perfekt korrelerte traser har en korrelasjonskoeffisient nær 1, mens dårlig korrelerte eller støysignaler har en meget lavere korrelasjonskoeffisient. Denne egenskapen tjener som et forkastelses- eller gyldighets-kriterium for estimatorene for DT(t).

En viss varians eller spredning i estimasjonen av DT resulterer fra beregninger utført på avkortede tidstraser med endelig båndbredde. Denne variansen bør holdes på et minimum slik at den ikke maskerer tendenser eller variasjoner av DT som funksjon av tid som angår gassinnstrømning i borehullet. Klassiske teknikker med overlapping sammen med bruken av langtids-traser (typisk 2 0 sekunder) blir brukt til å minske variansen. En annen teknikk blir også gjennomført på følgende måte: for hvert sett med ringrom- og slamrør-datablokker blir forskjellige estimatorer av DT(t) beregnet, idet hver svarer til en litt forskjellig verdi av senterfrekvensen til det digitale bånd-passfilteret som brukes for å frembringe amplitude-modulasjonssignalene som korreleres for å frembringe DT(t).

Betrakt f.eks. tilfellet med en bærefrekvens på 12 Hz, der fem estimatorer DT blir oppnådd ved å sette

båndpassfilterets senterfrekvens til 11, 11,5, 12, 12,5 og 13 Hz. Disse fem estimatorene blir så midlet sammen for å frembringe en estimering av DT med mindre varians eller spredning.

I en spesielt foretrukket utførelsesform må støtsignalet ved hjelp av DT-bestemmelsen og standbølge-støtsignalet begge være tilstede før en støt-indikasjonsalarm blir gitt for å minske muligheten for falsk alarm.

I nok en annen spesielt foretrukket utførelsesform kan en tredje fremgangsmåte brukes til å supplere de to tidligere i det tilfellet hvor to eller flere slampumper blir brukt parallelt. I dette tilfellet er det vanlig praksis å drive pumpene ved samme strømningshastighet. Erfaring viser at denne praksis frembringer trykkslag i slamrøret og at disse slagene forplanter seg ned og opp i ringrommet. Slagfrekvensen som er proporsjonal med differansen i frekvens mellom de to pumpene, er vanligvis meget lav, f.eks. 0,1 Hz. En faseforskjell i slagene mellom slamrøret og ringrommet er et direkte mål på den soniske forplantningstid T ned gjennom borestrengen og opp i ringrommet, og dermed på nærværet av gass hvis en eksponensiell økning av denne forplantningstiden blir detektert.

Mengden av gass i den detekterte gassinnstrømning blir bestemt fra en forutbestemt tabulert funksjon av DT (differanse i ankomsttid) eller T (total forplantningstid) og den distanse som en gassplugg-innstrømning har beveget seg fra bunnen av borehullet.

I det tilfellet hvor bare en slampumpe benyttes, er det ingen lavfrekvente slag og vurderingen av den totale forplantningstid T blir utført ved å måle fasedreiningen som er underkastet en tvetydighet. En slik tvetydighet oppstår fordi fasedreiningen er større en bølgenes periode og målet på en fasevinkel er modulo 27i. Den totale forplantningstid T kan uttrykkes som

T=(n-(j) / 27t)/f

hvor <(> er den målte fase, f frekvensen til signalet og n et heltall. Tvetydigheten kommer fra det faktum at n er ukjent. Heltallet n kan bestemmes ved å påføre det fysiske faktum at den totale forplantningstid T er uavhengig av frekvensen f. Med andre ord må dT/df være null.

I praksis blir en innledende verdi av n gjettet ut fra betraktninger slik som borehullsdybde og slamvekt. Denne verdien av n kan så kontinuerlig kontrolleres, spesielt når frekvensen f varierer selv lite. Hvis en variasjon av f frembringer en variasjon av T, så betyr det at den løpende verdi av n ikke er spesifisert korrekt, og n blir enten inkrementert eller dekrementert avhengig av fortegnet på dT/df inntil dT/df er null eller meget liten. For øket nøyaktighet blir målingen utført over flere frekvenser, nemlig grunnfrekvensen til slampumpen og så mange harmoniske som ønsket. Til tross for den kontinuerlige kontroll i sann tid for gyldigheten av den løpende verdi av n, er det mulig at den fremdeles kan være gal. I stedet for å betrakte den totale forplantningstid T for energisering av en alarm, er det derfor god praksis å betrakte endringshastigheten til T med tiden, dT/dt, som er uavhengig av n fordi n er en konstant forutsatt at frekvensen f ikke endres med tiden t.

En annen utførelsesform omfatter et apparat og en fremgangsmåte til å måle en frekvens-eller Doppler-forskyvning mellom slamrør- og ringrom-transduseren. En slik forskyvning blir frembragt når gass trer inn i borehullet og endrer den soniske forplantningshastigheten. Denne utførelsen har den fordel at den er utvetydig og derfor ikke krever beregningsmessig omfattende kompensasjonsalgoritmer som beskrevet ovenfor.

Formålene, fordelene og trekkene ved oppfinnelsen vil fremgå tydeligere under henvisning til de vedføyde tegninger hvor like tall indikerer like elementer og hvor en illustrerende utførelsesform av oppfinnelsen er vist, og hvor: fig. 1 er en skisse over et tidligere kjent system for å bestemme gassinnstrømning i et borehull under boring, ved å sammenligne akustiske signaler i ringrommet og borestrengen på overflaten, hvilke signaler induseres av en kommunikasjonssender nede i hullet som sender pulser i slammet;

fig. 2 er et blokkskjema over et system ifølge oppfinnelsen hvor borestreng- og ringrom-signaler blir behandlet ifølge standbølgeteknikker og teknikker for forskjell i ankomsttid samt på grunnlag av den totale overføringstid for å oppnå uavhengige

fluidinnstrømningssignaler ;

fig. 3 er et blokkskjema som illustrerer fremgangsmåten med forskjell i ankomsttid og et apparat for sann tids-deteksjon av en fluidinnstrømning i et borehull;

fig. 4A illustrerer hvordan slampumpe-induserte stand-bølger blir endret ved gassinnstrømning i ringrommet i et borehull;

fig. 4B illustrerer bestemmelsen av slamrør-

frekvensresponskurven i forhold til ringrom-frekvensresponskurven som utføres ved frekvenser svarende til slampumpenes grunnfrekvens og to første harmoniske;

fig. 4C illustrerer tidsvariasjonen av størrelsen og fasen til frekvensresponskurven som er bestemt som antydet på fig. 4B, og indikerer virkningen på slike signaler når en gassinnstrømning trer inn i borehullets ringrom;

fig. 4D illustrerer hvordan pluggstigningshastighet blir bestemt og dens bruk til å bestemme avstanden fra bunnen av borehullet som gasspluggen har beveget seg;

fig. 5 illustrerer systemelementer tilveiebragt for å sikre nøyaktigheten av en fluidinnstrømningsbestemmelse for å skape informasjon til en alarm og for å frembringe detaljert informasjon vedrørende mengden av gass i en slik fluidinnstrømning og dens virkning på slamvolumet i boreriggens slamgrop;

fig. 6A illustrerer en kommunikasjonssender i et MWD-system som frembringer et bæresignal av slamtrykkpulser som blir modulert ved hjelp av målinger nede i hullet for over-føring via borestrengens slambane til overflaten for behandling på boreriggen;

fig. 6B og 6C illustrerer at et MWD-bæresignal modulert i fase av et informasjonssignal nede i hullet kan være båndpassfiltrert omkring bærefrekvensen for å frembringe et signal hvis amplitudemodulasjonen er beslektet med informasj onssignalet;

fig. 7 illustrerer DT(t)-signaler som er frembragt av apparatet på fig. 3 og indikerer behandlingstrinn som brukes til å identifisere størrelsen av en gassinnstrømning ved hjelp av fremgangsmåten og apparatet for å bestemme differansen i ankomsttid;

fig. 8 illustrerer instrumentering i fremgangsmåten og apparatet for å bestemme differansen i ankomsttid hvor signalkilden nede i hullet er borestøy;

fig. 9 er et blokkskjema som viser fremgangsmåten brukt til å måle 2T(t), den totale forplantningstid ned gjennom borestrengen og opp gjennom ringrommet i det tilfellet hvor

pumpestøtfrekvenser er tilstede, idet teknikken er maken til den som brukes for DT(t), differansen i ankomsttid fra kilden nede i hullet;

fig. 10 illustrerer 2T(t)-signaler som blir frembragt ved hjelp av apparatet på fig. 9 og indikerer behandlingstrinn som brukes til å identifisere forekomsten av en gassinnstrømning samt til å anslå dens størrelse;

fig. 11 illustrerer ytterligere behandlingstrinn som brukes til å identifisere gassinnstrømning;

fig. 12 illustrerer behandlingstrinn for en annen foretrukket utførelsesform av en fasemetode for å anslå total forplantningstid for slampumpestøy til å forplante seg via borestrengen til bunnen av borehullet og opp gjennom ringrommet ; og

fig. 13, 14A og 14B illustrerer en fremgangsmåte med Doppler-forskyvning til å analysere slamrør- og ringrom-signaler som er et resultat av slampumpeakustikk til å identifisere gassinnstrømning i ringrommet under boring.

Fig. 1 illustrerer en tidligere kjent roterende borerigg med apparatur for å detektere en fluidinnstrømning nede i hullet (vanligvis gass) inn i borehullets ringrom. Det roterende boresystemet er kjent for fagfolk på området olje- og gass-boring. Kort sagt omfatter boreriggen 5 en

motor 2 som dreier en kelly 3 ved hjelp av et rotasjonsbord 4. En borestreng 6 omfatter seksjoner med borerør forbundet ende mot ende og med kellyen for å bli rotert av denne. En rekke vektrør og apparater 7 for måling under boring (MWD) er forbundet med borestrengen og blir avsluttet av en roterende borkrone 8 som danner borehullet 9 etterhvert som den dreies av borestrengen.

Borefluid eller "slam" blir pumpet av pumpen 11 fra en slamgrop 13 via et slamrør 15 og et omdreiende innføringshode 17 gjennom den hule kellien 3 og borestrengen 6 til borkronen 8. Slammet virker til å smøre borkronen 8 og til å føre borekutt oppover til overflaten via ringrommet10 som er avgrenset mellom utsiden av borestrengen 6 og borehullet 9. Slammet blir levert til slamgropen 13 hvor det blir skilt ut borekutt o.l., slammet blir avgasset og ført tilbake til borestrengen pånytt.

Boreslammet i systemet tjener ikke bare som smøremiddel og middel til å transportere borekutt til overflaten, men tilveiebringer også midlet til å' kontrollere fluidinnstrømning fra formasjoner gjennom hvilke kronen 8 borer seg. Kontroll blir tilveiebragt ved hjelp av det hydrostatiske topptrykket til søylen med borefluid i ringrommet 10. Hvis det hydrostatiske trykk er større enn trykket til den innfangede gassen, f.eks. i en formasjon gjennom hvilken borkronen 8 passerer, blir gassen i formasjonen hindret fra å tre inn i ringrommet 10. Forskjellige bestanddeler kan tilføres boreslammet for å kontrollere dets tetthet og dets evne til å etablere et ønsket hydrostatisk trykk.

Slamsøylen inne i borestrengen 6 tilveiebringer også en akustisk overføringsbane for signaler for måling under boring nede i hullet. I ovennevnte US-patenter nr. 4.733.233 og 4.733.232 illustreres at digitale slamtrykkpulser kan etableres nede i hullet nær kronen 8 med MWD-apparater 7, og at slike pulser kan detekteres og informasjonen som de fører med seg kan bestemmes på overflaten. Disse patentene antyder også at en fluidinnstrømning i borehullet 9 kan detekteres ved å tilveiebringe en trykktransduser 18 ved overflaten til å avføle ringromtrykk og en trykktransduser 20 i slamrøret 15 til å avføle borestreng-trykk.

Disse transduserne sammenligner borestreng- og ringrom-signaler som kan være akustiske signaler eller trykksignaler generert av MWD-senderen som befinner seg inne i MWD-apparatet 7 nær bunnen av borehullet. En gassinnstrømning i ringrommet 10 påvirker visse karakteristikker ved signalet som overføres gjennom ringrommet, men ikke det signalet som overføres i borestrengen 6. Patentene beskriver en komparator 12 hvor amplituden og/eller fasen til ringrom-signalet og borestreng-signalet blir sammenlignet. Patentene indikerer at en datamaskin 18 kan brukes til å vurdere utgangen fra komparatoren 12 for å generere en alarm i en krets 16 hvis en fluiduminnstrømning blir detektert.

Foreliggende oppfinnelse omfatter et noe beslektet prinsipp ved at den likeledes bruker ringrom- og borestreng-trykksignaler som grunnlag til å detektere en fluidinnstrømning nede i et borehull under boring, men benytter forskjellige signalkilder og teknikker for å generere bekreftende fluidinnstrømningssignaler. Fig. 2 illustrerer at en ringrom-transduser 18' og en slamrør-transduser 20' er anordnet ved overflaten på en måte lignende den som er illustrert på fig. 1. Borestrengsignalet fra slamrør-transduseren 20' og ringrom-signalet fra ringrom-transduseren 18' blir tilført en "Delta Arrival Time Analyzer" (analyseringskrets som finner forskjell i ankomsttid) 28 via ledere 26 og 24 respektive. Borestreng- og ringrom-signalene blir også tilført en standbølge-analysator ved hjelp av ledninger 24' og 26', og til en analysator 29 for total overføringstid ved hjelp av ledninger 24" og 26". Uttrykket "borestreng-trykksignal" eller "slamrør-trykksignal" eller andre variasjoner av dette, er her ment å innbefatte de signaler som er tilstede i boreriggens slamsirkulasjonssystem hvor som helst mellom pumpen 11 og borkronen 8, som omfatter slamrøret 15, kellien 3 og alle andre deler av den lukkede fluidkrets mellom pumpen 11 og borkronen 8. I praksis har det vist seg lettest å montere transduseren 20' på slamrøret 15 for å detektere borestreng-trykksignalene, men man vil forstå at transduseren 20' kan befinne seg hvor som helst mellom pumpen 11 og borkronen 8 for å foreta denne målingen. Derimot er uttrykket "ringrom-trykksignal" eller variasjoner av dette ment å innbefatte de signaler som er tilstede på retursiden av boreriggens slamsirkulasjonssystem hvor som helst mellom borkronen 8 og slamgropen 13 som er i fluidforbindelse med ringrommet 10. I praksis har det vist seg at ringrom-transduseren 18' blir anbragt hvor som helst langs denne fluidkretsen hvor det er lettest å komme til.

Analysatoren 28 for forskjell i ankomsttid genererer et

DT(t)-signal på en leder 32 representativt for forskjellen i ankomsttid for et lydsignal fra en kilde nede i borehullet via ringrommet og via borestrengen. Denne kilden nede i hullet kan f.eks. enten være en MWD-signalsender eller borestøy som genereres ved borkronen og et resultat av vekselvirkningen mellom kronen og undergrunnen. I praksis blir den sterkeste av kildene nede i borehullet fortrinnsvis valgt. Et slikt signal blir generert i sann tid t. Hvis dette DT(t)-signalet oppviser visse forutbestemte kriterier, blir et fluidinnstrømningssignal kalt FI1generert på en leder 33.

Standbølge-analysatoren 30 genererer et d(t)-signal på en leder 34 representativt for den distanse en fluidinnstrømning eller "gassplugg" har beveget seg fra bunnen av borehullet mot overflaten som en funksjon av tiden t målt fra det tidspunkt innstrømningen kommer inn i borehullet. Det genereres også på leder 34' en estimering av variasjonen i den totale forplantningstid TP(t) ned gjennom slamrøret og opp gjennom ringrommet. TP(t) blir tilveiebragt fra fasekurven som funksjon av tiden av slamrør/ringrom-frekvensresponskurven ved pumpefrekvensen. Det blir også generert en alarm FI2P på leder 3 5 og FI2M på leder 35'. Denne alarmen blir aktivert når endringen i total forplantningstid TP(t) er positiv.

Analysatoren 2 9 for total overføringstid genererer på leder 32' en total overføringstid 2T(t) som representerer overføringstiden ned gjennom borestrengen og opp. gjennom ringrommet bestemt fra pumpe-støtfrekvensene. I en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse blir analysatoren 29 for total overføringstid brukt når to eller flere pumper arbeider ved hovedsakelig samme strømningshastighet. En alarm FI3blir genererert på leder 33' når en eksponensiell økning i 2T(t) bestemmes.

I det tilfellet hvor bare en pumpe benyttes, så blir 2dT/dt, endringshastigheten som funksjon av tiden til den totale overføringstid ned gjennom borestrengen og opp gjennom ringrommet, benyttet isteden for den totale overføringstid 2T. En alarm FI3blir generert på leder 33' når 2dT/dt er større enn en forutbestemt terskelverdi, f.eks. 12 millisekunder pr. minutt.

"Kick"- eller fluidinnstrømnings-analysatoren 36 reagerer på FI1-signalet på leder 33, på FI2-signalene på lederne 35 og/eller 35' og på FI3-signalet (hvis en eller flere slampumper blir brukt som beskrevet nedenfor) på leder 33' for å avgi et fluidinnstrømnings-alarmsignal Fl på leder 3 8 for å aktivere en alarm 4 0 ved boreoperatørens styrestasjon på boreriggen 5. Fluidinnstrømnings-analysatoren 3 6 genererer fortrinnsvis også signaler på en leder 42 som er representative for posisjonen til gasspluggen i ringrommet, gassmengden eller størrelsen på en gassplugg som har kommet inn i borehullet, og slamgrop-økningen som beskrevet mer detaljert nedenfor. Disse signalene kan brukes til å frembringe sanntids-informasjon til boreoperatøren vedrørerende en gassinnstrømning ved hjelp av en fremvisning på et katodestrålerør, en skriver, plotter eller lignende som er anbragt på et sted som er hensiktsmessig for boreoperatøren.

Fig. 3 illustrerer de foretrukne kretser og datamaskin-instrumenteringen for å realisere analysatoren 24 for forskjell i ankomsttid på fig. 2. Denne kretsen blir brukt når kilden nede i hullet er en MWD-telemetrimodulator. Borerør-trykksignalet fra slamrør-transduseren 20' blir tilført via ledere 26 til et lavpass anti-overlappingsfilter 40, en stor AC-koblingsanordning 42 og en A/D-krets 44. Ringrom-trykksignalet fra ringrom-transduseren 18' blir likeledes tilført via ledere 24 til et lavpassfilter 46, en AC-koblingsanordning 48 og en A/D-krets 50. Borestreng-signalet opptrer i digital form på leder 52; ringrom-signalet opptrer i digital form på leder 54.

De signalene som opptrer på lederne 52 og 54 er representative for det slampulstog som skapes av en sender for måling under boring anbragt i kort avstand over borkronen i borehullet 9, f.eks. senderen 8 0 som er vist skjematisk på fig. 6A som en del av MWD-kretsen 60 nede i hullet. En slik sender som f.eks. er beskrevet i US-patent 3.309.656 og 4.785.300, frembringer et bæretog med pulser i slammet 62. Pulstoget er typisk kjennetegnet ved en senterfrekvens fc som er representativ for pulshastigheten til bæreren. Pulshastigheten blir modulert i samsvar med måleparametere målt nede i hullet og som derved overføres til overflaten.

De modulerte signalene blir detektert på overflaten og demodulert for å bestemme informasjon vedrørende målinger av parametre nede i hullet. I forbindelse med foreliggende oppfinnelse er det imidlertid nyttig å bestemme forskjellen i ankomsttid til overflaten for det modulerte signal når det forplanter seg langs en slambane via innsiden av borestrengen 6, med ankomsttiden til overflaten for det modulerte signal som forplanter seg langs den alternative slambane via borkronen og opptil overflaten gjennom ringrommet 10. Det er viktig å fastslå ankomsttiden til det samme signal på overflaten via disse alternative baner, siden den fasedreining som forårsakes av en gassinnstrømning kan være større enn 3 60°, noe som gjør det vanskelig å sammenligne ankomsttiden til to signaler på grunnlag av faseforskj eller.

Når bærerpulstoget er fasemodulert, som illustrert skjematisk på fig. 6B, er det en ekvivalens mellom informasjonen til den mengde fasedreining som er påført bærerpulstoget og amplituden til slike signaler etter at de har passert gjennom et smalt båndpassfilter sentrert på bærerfrekvensen til bærerpulstoget. Med andre ord omdanner slik filtrering av et fasemodulert bærerpulstog fasemodulasjonen til et signal hvis amplitude varierer med det informasjonssignalet som er påført eller som modulerer bærerpulstoget. Slik ekvivalens er også illustrert på

fig. 6C.

Når følgelig MWD-senderen omfatter en fasedreinings-modulator for en bærerfrekvens som illustrert skjematisk på fig. 6A-6C, vil føring av et slikt signal gjennom et båndpassfilter med en senterfrekvens lik frekvensen til bærerfrekvensen fc, frembringe et signal hvis amplitudemodulasjon gjenspeiler det informasjonssignalet som modulerte signalet nede i hullet. Følgelig og under henvisning til fig. 3, er de signalene som opptrer på lederne 52 og 54 fasemodulerte pulstog og blir tilført digitale båndpassfiltere som generelt er indikert som 55 på følgende måte. Hvert tidsdomene-signal på lederne 52 og 54 blir tilført henholdsvis til en hurtig Fourier transformasjons -modul 56, 58 for å omdanne det til et frekvensspektrum på lederne 60, 62. Multiplikasjon med frekvensresponskurven til båndpassfilterne 64, 66 og invers hurtig Fourier transformasjon-moduler 68, 70 omformer borestreng- og ringrom-signalene til tidsdomene-signaler på lederne 72, 74. Amplitudene til disse tidsdomene-signalene varierer med den informasjon nede i hullet som brukes til å modulere bærerpulstoget.

Deretter blir signalene tilført absolutt verdi-moduler 76, 78, og så til hurtig Fourier transformasjons (FFT)-moduler 90, 92 via ledere 77, 79. Utgangen fra FFT-modulene 90, 92 på lederne 94, 96 er frekvensspektre S(co) og A(co), spektrene for borestreng- og ringrom-signalene som behandlet tidligere. Spektrene blir multiplisert med frekvensresponskurven til lavpassfiltrene 98, 100 for å frembringe frekvensrepresentasjonen til omhyllingen eller amplitude-modulasjonssignalet til telemetribæreren på lederne 102 og 104. Spekteret til ringromkanalen blir tilført en kompleks konjugeringsmodul 101 for å frembringe en utgang A* (co) på leder 104'. Det komplekse konjugerte ringrom-spekteret A* (co) og slamrør-spekteret S(co) blir så multiplisert sammen i en modul 106 for å frembringe kryssef f ekt-spekteret GSA(co) for borestreng- og ringrom-amplitudemodulasjonssignalene. Et slikt krysseffekt-spektrum på leder 108 blir tilført en invers hurtig Fourier transformasjons-modul 110. Utgangen fra modulen IFFT 110 på leder 112 er krysskorrelas jonsf unks jonen Rsa(x) hvor x er lede-eller sakke-tiden mellom borestreng-signalet s(x) og ringrom-signalet a(x). Ved hvert øyeblikk i sann tid t blir følgelig korrelas jonsf unks jonen Rsa(x) frembragt. Krysskorrelasj onsf unks jonen Rsa(x) blir så normalisert ved hjelp av den geometriske middelverdi av signalets effektspektrum i modul 113 for å frembringe

krysskorrelasj ons-koef f isienten Csa (x) =Rsa (x) / yJ( Rss( 0) Raa( 0)) .

Deretter blir maksimum til

krysskorrelasjonskoeffesienten Csa(x0) bestemt i modul 114 og sakke- eller lede-tiden x0ved dette maksimum, definert som differansen i ankomsttid DT, blir bestemt i blokk eller modul 118. Utgangen fra modul 118 blir tilført på en leder120 som et sann tids-signal DT(t). Verdien av korrelasj onsf unks jonen Csa(x0) blir brukt som en indikasjon på kvaliteten av målingen på følgende måte som er et eksempel: hvis Csa(x0) er større enn 0,9, så er målingen gyldig; ellers blir målingen forkastet og den tidligere beregnede verdi av DT(t) blir opprettholdt på leder 120.

Tidssignalet DT(t) blir plottet som funksjon av tiden og tolket som illustrert på fig. 7. Ved vanlige boreoperasjoner er DT(t) nesten konstant. Verdien av denne konstanten er en funksjon av den spesielle situasjon til brønnen som bores, posisjonen til MWD-senderen inne i sammenstillingen ved bunnen av hullet (BHA) og posisjonen til mottakertransduserne på overflaten. Disse parameterne er vanligvis konstante under boreprosessen.

Forekomsten av borekutt i ringrommet er ansvarlig for en økning i den akustiske ringrom-hastigheten og derfor for negative verdier eller tendenser av DT(t) mot lavere verdier. Lydhastigheten økes på grunn av borekutt fordi borekutt øker slammets vekt. Når det brukes oljebasert slam er lydens gjennomsnittshastighet over hele lengden av ringrommet vanligvis lavere enn gjennomsnittshastigheten til lyd i borestrengen. Grunnen til dette fenomenet er forekomsten av oppløst gass i slammet, som det er mer sannsynlig kommer ut av oppløsning i ringrommet siden ringromtrykket er mindre enn trykket inne i borestrengen. Fordi lydhastigheten er lavere i gasskutt-slam, tar det lengre tid for trykkpulser å forplante seg opp gjennom ringrommet og dermed oppstår den større verdien av forsinkelsen DT(t).

Innstrømningen av formasjonsgass i borehullet er kjennetegnet ved en eksponensiell økning av DT som funksjon av tiden. Denne oppførselen er blitt observert eksperimentelt og matematiske modeller forutsier disse virkningene. Bruk av disse modellene gir kurver som hver korresponderer til et støt med forskjellig størrelse. Det vises til fig. 7 hvor kurve (3) svarer til et støt på 1 fat; kurve (2) til et støt på 3 fat; og kurve 1 til et støt på 10 fat. Bestemmelsen av likheten mellom tabulerte kurver og målte kurver kan utføres i sann tid ved f.eks. å bruke minste kvadraters kriterier eller ved å minimalisere en tidligere definert avstand mellom kurvetypene og de målte kurvene. Når en likhet mellom den målte DT(t)-kurven og typekurvene som er lagret i minnet til en datamaskin, blir fastslått, så blir et fluidinnstrømnings-signal FI: matet ut på ledere 32, 33 som illustert på fig. 2.

Det er velkjent at i visse tilfeller kan støy over et bredt frekvensbånd genereres nede i hullet i forbindelse med vekselvirkningen mellom borkronen og undergrunnen. Denne støyen forplanter seg opp i ringrommet samt i borestrengen og dets størrelse, spesielt i ringrommet, kan være flere ganger større enn størrelsen av de trykkpulser som er forbundet med MWD-telemetri. Når en slik situasjon oppstår, kan fremgangsmåten med å bestemme forskjell i ankomsttid som er beskrevet ovenfor, svikte på grunn av dårlige signal/støy-forhold. Likevel er det blitt oppdaget at det er mulig å fortsette den samme generelle type målinger og analyser ved å bruke borestøyen som en lyd- eller slamtrykk-kilde isteden for MWD-senderen. På grunn av beskaffenheten til borestøyen blir imidlertid behandlingen av signalene forskjellige, selv om resultatet fremdeles er det samme: der er en forskjell i forplantningstid mellom trykkbølger som forplanter seg inne i borestrengen og i ringrommet.

Signalbehandlingen i dette siste tilfellet blir fortrinnsvis utført på den måte som er vist skjematisk på fig. 8. Tidligere kjent analog/digital-omforming, ringrom-og slamrør-signalene blir båndpass-filtrert ved hjelp av filtere 200, 202. Den nedre grensefrekvens blir justert på en slik måte at slampumpe- eller telemetri-signalene blir forkastet. I praksis har denne grensefrekvensen vist seg å være omkring 24 Hz. Den øvre grensefrekvensen tjener til anti-overlappingsformål. I praksis blir den fortrinnsvis innstilt ved omkring 400 Hz. Etter båndpassfiltrene blir signalene forsterket ved hjelp av instrumenterings-forsterkere 2 04, 2 06 for å trekke full fordel av det dynamiske A/D-inngangsområdet. Etter omformingen til digital form ved hjelp av A/D-omformere 208, 210, blir slamrør-signalet S(t) og ringrom-signalet a(t) Fourier-transformert i FFT-moduler 212, 214 for å frembringe henholdsvis spektrene S(co) og A (co). Det neste trinn er å

bestemme kryss-spekteret Csa (co) =S (co) A* (co) og koherensen Gamma<2>=

Csa(co) 7css(co)Caa(co) hvor Css (co)=S (co) S<*>(co) og Caa(co) =

A(co)A<*>(co) betegner henholdsvis slamrør- og ringrom-effekt-spektrene og hvor<*>betegner kompleks konjugering. Koherens er en indikasjon på den statistiske gyldigheten til kryss-spektrum-målingen. Det neste trinn er å beregne fasen til kryss-spekteret som en funksjon av frekvensen. Denne fasen

<))(co) blir beregnet som den inverse tangens til forholdet mellom den imaginære del og den reelle del av kryss-spekteret. Gruppeforsinkelsen som er det endelige mål for disse beregningene, er den negative hellningen -d()>/dw. Den blir beregnet over et frekvensbånd hvor koherensen er nær 1.

Denne prosessen er illustert på fig. 8. Verdien av DT(t) = x0er lik -d<)>/dw. Den tolkning som utføres på DT (t) er den samme som når DT(t) ble beregnet med MWD-senderen som kilde som forklart detaljert tidligere.

Om ønsket kan fluidinnstrømning-signalet FIXpå leder 33 (fig. 2) brukes til å utløse en alarm ved hjelp av en bjelle eller lignende på boreoperatørens kontrollstasjon, men det blir foretrukket å samtidig bestemme fluidinnstrømning på grunnlag av en eller flere uavhengige fremgangsmåter. En slik uavhengig metode er basert på overvåking og analysering av standbølger som skyldes boreriggens slampumper. Fig. 4A illustrerer generelt hvordan en gassinnstrømning i ringrommet 10 i borehullet påvirker standbølger i ringrommet som settes opp på grunn av vibrasjonen eller støyen til slampumpene 11. Vibrasjonsbølger forplanter seg ned gjennom borestrengen 6, ut gjennom borkronen 8 og oppover mot overflaten via ringrommet 10. Hvis en gassplugg kommer inn i brønnen og skaper en seksjon med gasskuttet slam som vist, blir slike vibrasjonsbølger delvis reflektert fra bunnen av pluggen og følgelig blir standbølge-mønsteret endret. En del av bølgene blir overført til overflaten via ringrommet 2, hvor de blir avfølt ved hjelp av ringrom-transduseren 18'. Fig. 4B illustrerer standbølge-signalbehandlingen ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen. Ringrom-trykksignalet som detekteres ved hjelp av ringrom-transduseren 18' på leder 24', blir tilført et lavpassfilter 46', en AC-koblingskrets 48' og så til A/D-kretsen 50'. Det slamrør-trykksignalet som detekteres av slamrør-transduseren 20' på lederen 24' blir tilført et lignende lavpassfilter

46', en lignende AC-koblingskrets 48' og så en A/D-krets 50'. De kondisjonerte signalene a(t) og s(t) for henholdsvis ringrommet og slamrøret, blir så transformert til frekvensdomenet ved hjelp av FFT-moduler 13 0 for å frembringe signaler A(co) og S(co) som så blir overført til en beregningsmodul 13 7 for frekvensresponskurven. Frekvensresponskurven H (co) =A(co)/S (co) er forholdet mellom kryss-spekteret S<*>(co)A(co) og inngangs-effektspekteret S<*>(co)S(co), hvor<*>indikerer kompleks konjugering. Størrelsen og fasen av H(co) blir så midlet over et frekvensbånd med

bredde Delta co (Aco) sentrert på co0, som er pumpens grunnfrekvens. Den samme midling blir deretter utført for de første og andre harmoniske 2co0og 3co0. Resultatene blir betegnet ved hjelp av Scoi for størrelsen og <j)i for fasen, hvor indeksen i er 0 for grunnfrekvensen og 1, 2, ... for de harmoniske 1, 2, ....

Fremgangsmåter som er enklere og krever mindre datakraft er velkjente for fagfolk på området signalbehandling, og disse kan benyttes. Siden f.eks. frekvensresponskurven for visse verdier av frekvensen er nødvendig, er det ikke nødvendig å utføre en fullstendig Fourier transformasjon av signalene. Sinus og kosinus-transformasjoner ved de frekvenser som er av interesse, vil vanligvis være tilstrekkelig. Med analysatoren 28 for forskjell i ankomsttid tilgjengelig, er imidlertid som illustrert på fig. 2 og 3, Fourier-transformasjonene av slamrør- og ringrom-trasene allerede tilgjengelige og kan dermed like godt brukes.

Vinkelfrekvensene ( oi svarer til slampumpens grunnfrekvens og dens harmoniske. Denne informasjonen blir oppnådd uavhengig fra en annen sensor, vanligvis en slagtellende sensor 134 (fig. 4B) montert på et stempel i pumpen 11. Hvis det benyttes to pumper, så blir analysen utført på fire frekvensbånd, dvs. de to grunnfrekvensene og de to første harmoniske til de to pumpene.

Det vises igjen til fig. 4B hvor båndbredden Delta

co (Aco) blir justert for å oppnå det beste kompromiss mellom spredning av resultatene (dette krever større Delta co) og betydningen av resultatet (lave verdier av Delta co) fordi ScoO og Scol må være representative for størrelsen til det akustiske trykk inne i slampumpenes frekvensbånd. Typiske verdier av Delta co er i området mellom 0,005 og 0,05 Hz.

Det neste trinn er å plotte Scoi og ()>i (og deres ekvivalenter hvis en annen slampumpe blir brukt) som funksjon av tid etterhvert som boringen skrider frem. Kurvene som er illustrert på fig. 4C er typiske for hva som oppnås.

Scoi-kurvene er hovedsakeligkarakterisert vedoscillasjoner med en periodisitet lik den tid som er nødvendig for å bore en lengde av hullet hvis lengde er lik en halv bølgelengde ved den betraktede frekvens©i. Disse periodiske toppene er relatert til systemresonnanser som utgjøres av borestrengen inne i et borehull med endelig lengde. F.eks. ved en inntrengningshastighet på 10 0 fot pr. time, er tiden på å bore en halv bølgelengde lik 8 timer. Det er klart at periodisiteten på plottingen Scoi er halvparten av den til ScoO fordi den frekvens som svarer til ScoO er halvparten av den frekvens som svarer til Sco-l . Hvis en innstrømning inntreffer ved tiden ts, så blir periodisiteten i plottingene av Scoi øket med en stor mengde fordi den nå svarer til den tid som er nødvendig for at grensen av gasskutt-pluggen med slam å bevege seg oppover over en avstand som er lik en halv bølgelengde, og at stigningshastigheten til pluggen er meget større sammenlignet med inntrengningshastigheten.

Modul I 138 (fig. 4B) bestemmer som reaksjon på ScoO-,

Scoi-signalene på leder 136 tiden Delta t mellom oscillasjonstopper for ScoO eller Scoi i henhold til de trinn som er skissert på fig. 4C.

Målingen av Delta t, tiden som pluggen bruker til å forskyve seg over en halv bølgelengde, blir komplisert ved det faktum at oscillasjoner i plottingen over Scoi ikke bare skyldes plugg-virkningen. Som diskutert ovenfor er også boreprosessen når den skrider frem, ansvarlig for oscillasjoner i Scoi. Derfor er en bestemmelse av Delta t bare på grunnlag av avstanden mellom påfølgende topper eller daler, ikke fullstendig egnet.

Diskrimineringen blir foretatt på grunnlag av hvor bratte toppene er og fra et praktisk synspunkt, den metode som brukes til å bestemme tidsintervallene Delta t mellom oscillasjonene blir basert på analysering av den tidsderiverte av Sco i-trasene. En halv Delta t er tiden mellom nullgjennomganger av dSco i/dt. Bare de nullgjennomganger hvor dSco i/dt er større enn en forutbestemt terskel, blir betraktet.

Dette er ekvivalent med å sette en terskel på hvor bratt toppene er. Bestemmelsen av tiden ts, tiden da innstrømningen startet, er også av stor viktighet. Tiden tsblir bestemt som den første nullgjennomgang for den deriverte av Sco 0 som funksjon av tiden som tilfredsstiller .terskelkriteriene på absoluttverdien større enn en forutbestemt terskel. Den praktiske bestemmelse av terskelen kan gjøres ved å sette denne terskelen til 150% av gjennomsnittsverdien for størrelsen av den deriverte av ScoO som funksjon av tiden målt over et tidsintervall hvor der ikke er noen innstrømning, f.eks. ved begynnelsen av boringen når hulldybden er grunn.

Etter at to eller flere topper er målt over en tid Delta t bestemt mellom dem, blir et Delta t-signal tilført fra modul 138 til modul II 139 på fig. 4B (modul 142 på fig. 4D) via en leder 140 og et ts-signal blir tilført modul 146 (fig. 4D) via en leder 141.

Modul 142 på fig. 4D mottar målesignalet Delta t på leder 14 0 og dividerer den forutbestemte halvbølge-lengde lambda [ tfk) med signalet Delta t for å bestemme et gassplugg-hastighetssignal på leder 144. Beregningen av pluggens stigehastighet vser hovedsakelig basert på bølgelengde A. og Delta t svarende til slampumpe-grunnfrekvensen, dvs. 1/2 lambda0og Delta t0. Et annet estimat av vskan oppnås ved å bruke 34 bølgelengde lambdaxog Delta ^ svarende til den første harmoniske. Det neste trinn er en konsistens-kontroll.

Konsistens-kontrollen benytter

slamstrømningshastigheten Q og ringrommets tverrsnittsareal

A som er kjent ut fra hulldimensjonen og borkrone-dimensjonen. Returslam-hastigheten vr=Q/Ablir bestemt.

Deretter blir vsog vrsammenlignet, noe som kan realiseres i praksis ved å beregne vs-vr/vrog sammenligne dette med et forutbestemt forhold. F.eks. kan verdien settes til 0,3. To tilfeller blir betraktet: i) Hvis vs-vr/vr>e, svikter konsistens-kontrollen.

Den målte verdi av vser uten mening og bør forkastes. Dette inntreffer typisk i det tilfelle hvor det er dårlig signal/støy-forhold eller i forbindelse med en hendelse som ikke har noen forbindelse med gassinnstrømning i borehullet.

ii) Hvis vs-vr/vr<e, er konsistens-kontrollen vel-lykket. En fluidinnstrømnings-alarm FI2M blir matet ut på leder 35' (se også fig. 2) og vskan brukes til å bestemme posisjonen av gasspluggen ved tiden t. Dette blir gjennomført i modul 146. Posisjonen over bunnen av hullet d(t) er gitt ved d (t) =vs (t-ts) og matet ut på leder 34. ts-signalet som er bestemt i modul 138 som forklart ovenfor, blir koblet til modul 146 via leder 141.

Den venstre side av fig. 4C illustrerer plottinger av fase 4>i (t) (for i = 0 og i = l) som funksjon av tiden t. I

vanlig boremodus er verdien av ()>i(t) teoretisk lik kre hvor k er et heltall, som er en velkjent egenskap ved standbølger.

I praksis er <f)i (t) lik en konstant som er forskjellig fra kn fordi"ytterligere fasedreining mellom slamrør og ringrom blir innført ved forsterkerne til sensorene samt AC-koblingskretsene og anti-overlappingsfiltrene som ikke er helt identiske. Ved tiden tsnår gass trer inn i borehullet, begynner fasen <j)i(t) å øke fordi forholdet mellom slamrør-og ringrom-forplantningstiden øker. Siden fasene blir målt modulo 27i, er de eneste mulige verdier mellom -tc og +tc . Hver gang økningen (|>i(t) når +tc, tilbakestilles den dermed til -Tc og fortsetter å øke derfra. Den resulterende visuelle virkning er en "rulling" av <{>i(t) . Jo større innstrømningen, jo hurtigere er rullingen. Dette blir fastslått ved å måle Delta § (t) , idet mengden <)>i(t) har øket i løpet av et virkårlig enhetstid-intervall. Det neste trinn er å beregne variasjonen i total forplantningstid TP(t) = Delta <j> (t)/co og plotte den mot tiden t som antydet på fig. 11. Hver gang en innstrømning finner sted overstiger TP(t) en forutbestemt terskel og oppviser en eksponensiell oppførsel. Støt med forskjellige størrelser frembringer kurvene som er merket 1, 2, 3 i avtagende rekkefølge av størrelsen på støtet. En matematisk støt-modell blir brukt til å produsere typekurvene 1, 2, 3. En alarm FI2P (P står for fase) blir matet ut til fluidinnstrømnings-analysatoren 36 på leder 35 hver gang TP(t) overstiger terskelen.

En annen foretrukket fremgangsmåte for å trekke fordel av fasekurvene, er å eliminere tvetydigheten på 360 grader ved å kreve at målingen av total overføringstid for T skal være uavhengig av frekvensen. Det korrekte uttrykk for den totale overføringstid T er:

hvor n er et heltall og f er frekvensen. Den innledende verdi av n blir estimert (dvs. gjettet) fra den teoretiske overføringstid beregnet ut fra dybden og slamvekten som regulerer lydhastigheten. Verdien av n blir så kontinuerlig kontrollert ved å kreve at dT/df skal være et minimum. Forskjellige estimater av T blir oppnådd for forskjellige frekvenser, nemlig grunnfrekvensen og så mange harmoniske som ønsket. Resultatene blir så midlet sammen for å frembringe en enkelt utgang. Et veid gjennomsnitt foretrekkes, idet vektene er signalstyrken Scoi og koherensen ved den betraktede frekvens. For å eliminere feilaktige og meningsløse data som vil kunne utløse falske alarmer, blir visse estimater av T ikke inkorporert i midlingsprosessen. Fortrinnsvis blir bare de målepunkter som tilfredsstiller følgende betingelser innbefattet i midlingsprosessen; 1) Verdien av S( 0i må være større enn en forutbestemt terskel. Dette kravet eliminerer data tatt når pumpene ikke går. 2) Bredden av frekvenstoppen bør ikke overstige en forutbestemt verdi. Dette kravet muliggjør diskriminering mellom slampumpe-signaler og uønsket slammotor-støy nede fra hullet. 3) Koherensen til den løpende måling bør være i overkant av en terskelverdi, f.eks. 0,90. 4) Koherensen til et forutbestemt antall tidligere målinger bør være større enn 0,90. Antallet forutbestemte tidligere målinger bør typisk være i størrelsesorden 3

til 4.

5) Frekvensen av toppen må være stabil. Data med en relativ frekvensendring sammenlignet med den tidligere måling overstigende en viss prosentandel, blir forkastet. Denne prosentandelen kan være i størrelsesorden 4 til 10%.

For å øke påliteligheten til målingene, kan det være fordelaktig å betrakte endringshastigheten til den totale overføringstid T som funksjon av tiden, dT/dt, i steden for T for alarmindikasjonen.

Som diskutert ovenfor forplanter lydbølger som er generert av slampumpene seg nedover gjennom borestrengen, trer ut gjennom borkrone-dysene og returnerer til overflaten via ringrommet. Den totale overførings- eller forplantningstid T er en funksjon av borehullets dybde, slamvekten, hullkarakteristikker og nærværet av gass i slammet. Endringshastigheten til T blir imidlertid hovedsakelig påvirket av nærværet av gass siden andre faktorer (dybde, slam, vekt, osv.) varierer langsomt med tiden sammenlignet med den endring som forårsakes av en innstrømning av gass i slammet (dvs. tomromsandelen).

Som vist på fig. 4A og 4B er det en fasedifferanse mellom signalet til en transduser anbragt på slamrøret (f.eks. 20 på fig. 4A) og til en trykktransduser anbragt f.eks. på klokkenippelen for å måle ringrom-trykk. Slike transdusere er vist på fig. 4B som ringrom-transduser 18' og slamrør-transduser 20'. Målingen blir utført ved valgte frekvenser f. for i = 0, ...N. N blir fortrinnsvis satt til 6.

Fasemålingen blir med andre ord utført for grunnfrekvensen og de fem første harmoniske.

Følgende forhold eksisterer mellom den totale gangtiden 2r£i for den i. harmoniske, fasen §t til dens harmoniske og frekvensen fi til den i. harmoniske:

hvor nt er et heltall.

Den innledende verdi av ni blir anslått fra dybde- og slamvekt-verdiene på det tidspunkt fremgangsmåten påbegynnes. For eksempel er ni heltallsdelen av 2 x borehullsdybden/lydhastigheten hvor lydhastigheten

■yj25 x IO8 lp , hvor p er slamvekten i SI-enheter.^-heltallene blir deretter inkrementert når faseverdiene ^ i når -tc. De løpende verdier av nA blir kontinuerlig kontrollert ved å kreve at d2Ti/dfiskal være et minimum. Differanser mellom påfølgende verdier av 2TV blir så midlet sammen for å frembringe en syntetisk parameter, som når den sammenlignes med et terskeltall, kan generere et gassinnstrømnings-alarmsignal. Isteden for å bruke et enkelt gjennomsnitt kan det benyttes et veid gjennomsnitt. Koherensen og signalstyrken blir veieparametrene.

Fig. 12 er et blokkskjema over det datamaskinprogrammet som brukes for å realisere den fremgangsmåten som er skissert ovenfor. Den logiske startblokken 201 betegner at fremgangsmåten begynner under styring av en digital datamaskin. Logikkblokken 203 indikerer at tidstraser for ringrom-signalet a(t) og slamrør-signalet s(t) på vedkommende tidspunkt blir innhentet og lagret for behandling.

Logikkblokken 205 indikerer at ringrom-signalet a(t) og slamrør-signalet s(t) blir overført til frekvensdomenet ved hjelp av hurtige Fourier-transformeringsteknikker for å frembringe tilsvarende frekvensdomene-funksjoner A(F) og S(F). Fortrinnsvis blir et kosinus-stigningsvindu først påført hvert tidssignal. Deretter blir Fourier- transformasjonen utført ikke ved å utføre to virkelige hurtige Fourier-transformasjoner, men fortrinnsvis ved å bestemme den hurtige Fourier-transformasjonen til den reelle del av slamrør-signalet pluss den imaginære operator ganger den kompleks-konjugerte av ringrom-tidssignalet, f.eks. FFT (s(t)+ja(t)). Resultatene blir rekombinert for å gjenvinne de reelle og imaginære deler av de hurtige Fourier-transformasjonene for A(F) og S(F).

Etter at grunnfrekvensen fx og dens harmoniske er bestemt i logikkblokken 207 fra frekvensdomene-toppene, kan kryss-spekteret Csa mellom de to spektrene A(t) og S(t) bestemmes i logikkblokken 209. Koherensspekteret Csa blir bestemt i logikkblokken 211.

Kryss-spekteret Csa blir bestemt som produktet mellom slamrør-spekteret S(co) multiplisert med den kompleks-konjugerte av ringrom-spekteret A* (co) . Energispekteret til en trase blir bestemt som produktet av dens reelle og imaginære deler. Således er Css = Re S(co) ganger Im S(co) ; Caa= Re A (co) ganger Im A (co) . Energispekteret og kryss-spekteret blir fortrinnsvis eksponensielt midlet for å sikre at koherensmålingen i logikkblokken 211 skal være meningsfull.

Fasen for hver harmonisk frekvens blir bestemt i logikkblokken 213. Det foretrekkes å bestemme denne fasen ved å bestemme:

ved hver av frekvensene f17f2som bestemt i logikkblokk 2 07.

Logikkblokken 215 merket "AVDEKK ()>" gir adgang til lagrede fasekurver som er bestemt som:<AVD>EKK (j^ nåværende si0yfe<=><Pi nåværende slayfe + ^TC HOPP naværende sløyfe •

Heltallet "HOPP" blir inkrementert (eller dekrementert) hver gang differansen mellom to påfølgende verdier av fasen (bestemt fra en beregningssløyfe til den neste): 4>i <Ti) nåværende sløyfe "<<>l<>>i (TA) f oregaende slayfe OV<er>Stig<er>et nivå kalt AVDEKK TERSKEL. Valget mellom inkrementering eller dekrementering av HOPPnåværende slayfe avhenger av fortegnet på denne fasedifferansen beregnet mellom beregningssløyfene.

En foretrukket innstilling for AVDEKK TERSKEL-verdien er 170/180TC.

Overslaget over total løpetid blir utført i logikkmodulen 217. Den beregner løpetiden eller forplantningstiden som: "^i nåværende slayfe = (ni ~<AV>DEKK ^ nåværende sløyfe/^<ft>) / f i •

Under den første gjennomgang gjennom sløyfen blir ntnåværendesiayfeanslått fra dybde og slamvekt som beskrevet ovenfor. Slike overslag blir gjort for hver harmonisk i som illustrert i logikkmodulene 227 og 225. Logikkmodul 225 anslår de innledende nåverdier som 2 x dybde/lydhastighet,

hvor lydhastigheten er -^25 x IO8 lp hvor p er slamvekt en i SI-enheter.

Flere teknikker blir foretrukket for å modifisere og til slutt velge noverdien for enhver sløyfeberegning.

(D Tinåværende siayfe blir ikke tillatt å gå negativ. Hvis dette skulle inntreffe blir n±nåværende siøyfe umiddelbart inkrementert. En slik situasjon kan inntreffe i grunne borehull.

(2) Tinåværende slayfe blir ikke tillatt å Overstige 2 ganger den teoretiske akustiske løpetid frem og tilbake. Hvis den gjør det blir nAnåværendeslByfeumiddelbart ■ dekrementert. (3) Hvis to påfølgende verdier av nt nåværende sløyfe har en forskjell som er mer enn en forutbestemt brøkdel av den betraktede periode, så er den aktuelle innstilling av n£nåværendesiayfeukorrekt. Med andre ord blir en trinnlignende variasjon av Ti nåværendesiayfe ikke tillatt fordi den ikke er fysisk realistisk. En verdi av ninaværende siayfe kreves slik at Ti nåværendesiayfevarierer glatt med tiden. (4) Bestemmelsen av Tt nåværende sløyfe bør ikke være en funksjon av frekvensen. Lydforplantningen i vanlig boreslam er tydelig spredt, men frekvensvariasjonen er i størrelsesorden 1%. Følgelig gjør man med fordel bruk av den naturlige dirringen til slampumpene. Med andre ord, fordi frekvensen til slampumpene varierer, så gjør også den totale forplantningstid til slampumpe-oscillasjonene gjennom boresystemet også det. Forekomsten av frekvensvariasjoner blir for det første brukt til å korrigere for det problem som forårsakes av slike variasjoner. Korreksjonen er basert på bestemmelsen av den deriverte av Ti nåværendeBlaytemed hensyn på frekvensen inaværende siayfe • Fortrinnsvis blir en statistikk over fortegnene til denne deriverte brukt. Hvis f.eks. 75% av de deriverte for foregående sløyfe er negative, så blir n±nåværende sløyfe minsket,dg omvendt.

Andre krav er også bygd inn i logikktrinnene på fig.

12.Variasjonen fra hver Tinåværendesleyfefra den nåværende sløyfe må være større enn 1 ms. Koherensen til målingene må være større enn en forutbestemt koherensterskel (f.eks. 90%). Tidskorreksjonen via logikkblokk 217 blir tillatt bare hvis nåværende tid er innenfor + 50% av den teoretiske forplantningstid, f.eks. 2 ganger dybde/lydhastighet.

Hvis ingen endring i d Ti/ d fi er bestemt etter de "n sløyfene" i logikkblokkene 219 og 217, blir T-verdiene tilført logikkblokken 221. Tidsdifferensialer blir bestemt ved å ta differansen mellom to påfølgende tidssløyfe-målinger. Tidssløyfen indikeres ved ledning 229 som på nytt starter hele bestemmelsen av forskjellige Ti. Slike tidsdifferensialer blir midlet over de forskjellige frekvenser som antydet ved innholdet av logikkblokken 221:

dT/dt = (S dTi/dt • Csa)/S Csa.

Bare visse Ti er innbefattet i midlingsprosessen. Dette kravet eliminerer hovedsakelig falske alarmer. Det blir foretrukket at følgende betingelser skal kreves før en verdi av dT/dt blir akseptert fra logikkmodulen 221. (1) Den bestemte dT/dt bør være mindre enn den brøkdel av en periode som brukes for avdekkingsterskelen (som beskrevet ovenfor) eller100 millisekunder, idet den minste verdien blir brukt. (2) Koherensen til den nåværende tidsmåling samt den foregående tidsmåling må være større enn koherensterskelen for å utelukke de aller første punkter etter at slampumpene er slått på og for å undertrykke falske alarmer frembragt ved transienter. (3) Pumpene må være slått på, dvs. slamrør-signalet s(t) må være større enn en forutbestemt minsteverdi. (4) Den relative frekvensvariasjon av den aktuelle tidsmåling må være mindre enn4% for å utelukke målinger frembragt når pumpehastigheten modifiseres.

Behandlingen fortsetter igjen via den logiske ledning 229 for å starte en ny tidsberegning for dT/dt. Hvis dT/dt som bestemt i logikkmodul 221, er større enn en forutbestemt verdi, fortrinnsvis 12 millisekunder/minutt, blir det frembragt en alarm, f.eks. ved hjelp av en bjelle, sirene, blinklys osv. for å alarmere boreoperatøren om at et støt eller kick er blitt detektert.

Om ønsket kan et alarmsignal fra logikkmodulen 223 settes inn for signalet FI2P (standbølge-fase) på leder 3 5 som vist på fig.- 2, 4B og 5. Med andre ord kan modulen på fig. 12 erstattes med modulen III på fig. 4B og 11.

Fig. 5 illustrerer en foretrukket utførelsesform av hvordan de fire grunnleggende enkeltvise fluidinnstrømnings-signalene kan tilføres fluidinnstrømningsanalysatoren 36.

En konsolidert fluidinnstrømningsalarm blir utarbeidet fra fluidinnstrømningsindikatoren på følgende måte: Hvis ingen av fluidinnstrømningsindikatorene er på, så blir sannsynligheten for at der er en gassinnstrømning satt til null. Hvis en fluidinnstrømningsindikator slåes på, så blir det sikret at en 25% sannsynlighet for at gassinnstrømning er tilstede og en fremvisning på 25% blir satt på borerens konsoll, 50% for 2 fluidinnstrømningsindikatorer, 75% for 3 og 100% når alle fire fluidinnstrømningsindikatorene er slått på.

Det er selvsagt mulig å gi en av fluidinnstrømnings-indikatorene mer vekt og andre mindre ved beregningen av den konsoliderte alarmen. Når f.eks. bare en pumpe brukes, finnes ikke indikatoren FI3, og de gjenværende indikatorere tilveiebringer 33,3% hver. Ved brønner som bores uten et MWD-apparat, finnes ikke Fll-indikatoren, og de gjenværende indikatorer bidrar med 33,3% hver. Ved en brønn som bores med bare en pumpe og uten MWD, finnes ikke Fil- og FI3-indikatorene, og de gjenværende indikatorer bidrar med 50% hver.

På fig. 5 blir DT(t)-signalet på leder 32 fra Delta-ankomsttidanalysatoren 28, d(t)-signalet på leder 34 fra standbølgeanalysatoren 30, 2T(t)-signalet på leder 32' fra den totale løpetidsanalysatoren 29 og TP(t)-signalet på leder 34' fra standbølgeanalysatoren 30 tilført støt- eller fluidinnstrømningsparameter-modulen 160. Forutbestemte relasjoner f(DT(t), f(2T(t)), f(TP(t)) som er lagret i datamaskinlageret, frembringer et signal på utgangsleder 162 som er representativt for mengden eller størrelsen på en gassinnstrømningsplugg, dvs. amtgas(t).

En annen forutbestemt relasjon mellom DT, 2T eller TP-signalene og slamgrop-økningen er lagret i

datamaskinlageret, og et slamgrop-økningssignal som en funksjon av t blir tilført på leder 164. amtgas (t)-signalet og SLAMØKNING (t)-signalet kan presenteres på fremvisningen 166 eller en alternativ utgangsanordning slik som en skriver, plotter osv. Posisjonen til gasspluggen kan tilføres katodestrålerøret 166 via en leder 165.

I en annen spesielt foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse kan en tredje.fremgangsmåte til deteksjon av gassinnstrømning brukes for å supplere de to tidligere i tilfeller hvor to eller flere slampumper blir brukt parallelt. Når dette skjer, er det vanlig praksis å drive pumpene med tilnærmet samme strømningshastighet. Erfaring viser at dette frembringer en støtfrekvens-trykkbølge i slamrøret og at disse støtfrekvensene forplanter seg ned og opp i ringrommet. Støtfrekvensen som er proporsjonal med frekvensdifferansen til de to punktene, er vanligvis meget lav, f.eks. 0,1 Hz. En fasedifferanse mellom støtfrekvensene mellom slamrøret og ringrommet er et direkte mål på den soniske forplantningstid 2T ned gjennom borestrengen og opp i ringrommet, og derfor en indikasjon på forekomst av gass hvis en eksponensiell økning av denne forplantningstiden detekteres.

Fig. 9 og 10 illustrerer fremgangsmåten og apparatet for å detektere fasedifferansen til trykkstøtbølgen. Fig. 9 representerer den totale løpetidsanalysator 29 på fig. 2 med innganger 26" og 24" fra slamrør-transduseren 20' og

ringrom-transduseren 18'. Fig. 9 er strukturmessig identisk med fig. 3 som illustrerer apparatet og fremgangsmåten for å detektere Delta-ankomsttiden fra en kilde nede i borehullet.

Båndpassfiltreringen i modul 55 på fig. 9 er satt til pumpe-grunnfrekvensen. De samme trinn som er beskrevet ovenfor for fig. 3, blir gjentatt av modulen 55 på fig. 9 med unntagelse av at utgangen fra logikkmodulen 118 nå er den totale løpetid for støtf rekvens-bølgen, dvs. 2Tmeas(t) som blir tilført logikkmodulen 122 på fig. 10.

Det vises så til fig. 10 hvor 2T(t)-funksjonen blir plottet som en funksjon av tiden, hvor den normalt har en økende hellning med inntrengningshastigheten. Hvis 2T(t)-hellningen øker dramatisk, dvs. eksponsielt, er en slik økning en indikasjon på en fluidinnstrømning. Hvis verdien av 2T(t) ved enhver tid t er større enn K x ROP x t + 2T0 + terskelen, så blir den tredje alarm FI3generert på leder 33' som antydet på fig. 10 og 2.

De deteksjonsmetodene som er beskrevet ovenfor, er komplementære eller bekrefter hverandre fordi noen er målinger av "integral"-typen og andre er "differensielle". Apparatet og fremgangsmåten for å analysere delta-ankomsttiden som benytter enten telemetrisignalet eller borestøyen som stimuleringskilde, er av den integrale type.

Det er også apparatet og fremgansmåten for å analysere den totale løpetid som benytter pumpenes støtfrekvens-forplantning samt apparatet og fremgangsmåten for å analysere standbølgenes faseinformasjon. Derimot er apparatet og fremgangsmåten for å analysere

størrelsesinformasjonen til standbølgene av den

differensielle type. Uttrykket integral blir brukt i forbindelse med fremgangsmåtene for delta-ankomsttid eller total løpetid eller standbølge-fasen fordi de er følsomme for den gjennomsnittlige fordeling av gass i ringrommet langs hele dets høyde. Det er følgelig vanskelig å trekke ut fra det alene alle de parametrene som er karakteristiske for en gassinnstrømning i borehullet. F.eks. har en liten mengde gass ved toppen av brønnen den samme virkning som en stor mengde gass ved bunnen av brønnen fordi gassen blir trykket sammen ved bunnen på grunn av det store hydrostatiske trykket der. Den samme gassmengde vil med andre ord ha meget forskjellige virkninger på delta T-bestemmelsen avhengig av gasspluggens posisjon i ringrommet.

Fremgangsmåten med å analysere størrelsen på standbølgen kan karakteriseres som en differensiell måling fordi det er den akustiske impedansforskjell eller "bruddet" ved grenseflaten mellom rent og gasskuttet slam som et resultat av gassinnstrømning, som bestemmer toppene i standbølgene. Refleksjoner finner sted ved posisjonen til impedansbruddet eller ved posisjonen til forskjellige slamtettheter uavhengig av størrelsen av det området som inneholder gasskuttet slam.

En annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er illustrert på fig. 13, 14A og 14B. Fig. 13 er en enda mer forenklet representasjon av boresystemet som er vist skjematisk på fig. 4A. For dopplerskift-utførelsen av foreliggende oppfinnelse, blir det antatt at en kilde for et akustisk signal er en slampumpe eller slampumper 11 som genererer et akustisk signal ved en grunnfrekvens f0.

Som vist på fig. 13 løper det akustiske signalet fra kilden 11 via borestrengen 6 til bunnen av hullet og opp gjennom ringrommet 10 over en total avstand D. På veien i ringrommet kan en gassinnstrømning komme inn i brønnen. Et trykksignal som er representativt for trykksignalet ved slamrøret, blir frembragt ved hjelp av en transduser 20'. Et trykksignal som er representativt for trykksignalet ved overflaten i ringrommet, blir frembragt av en transduser 18 ' .

Prinsippet med å detektere gassinnstrømning i ringrommet er å overvåke endringen i lydhastigheten over avstanden D som illustrert på fig. 13. Uten gass i ringrommet er lydhastigheten tilnærmet konstant. Avstanden D mellom "sender"-transduseren SPT 20' og "mottager"-transduseren APT 18' endres meget langsomt under boring; følgelig kan den ansees som konstant. Likeledes er energispekteret S(co) til SPT-signalet og energispekteret A (co) til APT-signalet kjennetegnet ved identiske frekvenser.

Hvis en frekvens f0er tilstede ved inngangen på slamrør-transduseren, så blir den samme frekvens målt ved utgangen fra ringrom-transduseren.

Hvis en gassinnstrømning i borehullet inntreffer, så vil lydhastigheten i ringrommet bli redusert drastisk på grunn av den komprimerte gassen, men selvsagt er avstanden D konstant. Denne situasjonen er i virkeligheten lik en situasjon hvor lydhastigheten er konstant, men avstanden D øker.

Virkningen er den klassiske situasjon med en Doppler effekt: en relativ frekvensendring Delta f/f som er proporsjonal med v/c blir frembragt hver gang lydkilden beveger seg med en hastighet v i forhold til mottageren i et medium hvor lydhastigheten er c. Deteksjonsteknikken består i å måle nøyaktig frekvensen til den lydbølgen som kommer inn i systemet og taes imot av slamrør-trykktransduseren 20' samt frekvensen til bølgen når den går ut av systemet ved ringrom-transduseren 18'. En nøyaktig bestemmelse av frekvensen kan utføres på følgende måte: SPT- og APT-tidssignalene samples. N-punkter ved et mellomrom Delta t brukes. Den iboende frekvensoppløsning som er et resultat av denne prosedyren i Delta f=1/(NDelta t).

Størrelsen av FFT til SPT- og APT-tidstrasene beregnes.

Se fig. 14A og 14B som illustrerer S(co) og A(co) .

Den frekvens som svarer til posisjonen av spekterets maksimum finnes.

En bedre nøyaktighet blir oppnådd ved å beregne abscissen til toppenes tyngdepunkt.

Dopplerforskyvningen Delta f bestemmes ved å beregne differansen mellom SPT- og APT-frekvensene som vist på fig. 14B.

I et vanlig tilfelle uten gass i systemet, er frekvens-forskyvningen Delta f/f lik null. Når gass strømmer inn i brønnen øker Delta f/f. Hvis den krysser en forutbestemt terskel, så blir en alarm avgitt.

Forskjellige modifikasjoner og endringer i de beskrevne fremgangsmåter og apparater vil uten videre kunne foretas av fagfolk på området uten av avvike fra oppfinnelsens idé. Av denne grunn er disse endringene ment å være innbefattet i de vedføyde krav. De vedføyde krav er de eneste som begrenser oppfinnelsens ramme. Den beskrivende måte som er benyttet for å illustrere utførelsesformene, bør tolkes som illustrerende, men ikke begrensende.

Claims

1. Apparat for å detektere fluidinnstrømning i et borehull med et boresystem omfattende en borestreng avsluttet med en borkrone, der borestrengen avgrenser et ringrom mellom sin ytre diameter og borehullet, idet systemet omfatter en borefluidpumpe for å pumpe borefluid nedover gjennom et slamrør og borestrengen og oppover gjennom ringrommet til overflaten, omfattende: a) en trykkdetekterende anordning nær overflaten av systemet for å generere et ringrom-trykksignal som en funksjon av tiden, hvilket er representativt for trykkoscillasjonen i borefluidet i ringrommet, som forårsakes av borefluid-pumpen; b) en trykkdetekterende anordning nær overflaten av systemet for å generere et slamrør-trykksignal som en funksjon av tiden, hvilket signal er representativt for trykkoscillasjonen i borefluidet i slamrøret, forårsaket av borefluid-pumpen; karakterisert vedc) en anordning for å bestemme fasedifferanse som en funksjon av tid mellom ringrom-trykksignalet og slamrør-trykksignalet ved en spesiell oscillasjonsfrekvens for borefluidet forårsaket av borefluid-pumpen; d) en anordning for periodisk å bestemme den totale løpetid for en borefluid-trykkbølge langs en bane som avgrenses av slamrøret ned gjennom borestrengen og oppover langs ringrommet til overflaten som en funksjon av fasedifferansen og den spesielle oscillasjonsfrekvens; e) en anordning for å bestemme endringshastigheten av den totale løpetid, og f) en anordning for å sammenligne endringshastigheten for den totale løpetid med en forutbestemt grense for å generere et støt-alarmsignal hvis denne grensen overstiges.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert vedat anordningen for bestemmelse av den totale løpetid T på et hvilket som helst tidspunkt t innbefatter en anordning for å evaluere funksjonen

hvor O representerer fasedifferansen, f representerer den spesielle oscillasjonsfrekvensen, og n er et heltall som inkrementeres eller dekrementeres inntil endringshastigheten for T med hensyn på frekvens f er omtrent 0.

3. Fremgangsmåte for å detektere fluidinnstrømning i et borehull med et boresystem omfattende en borestreng avsluttet av en borkrone der borestrengen avgrenser et ringrom mellom sin ytre diameter og borehullet, idet systemet omfatter en borefluid-pumpe for å pumpe borefluid nedover gjennom et slamrør og borestrengen og oppover gjennom ringrommet til overflaten, omfattende de følgende trinn: a) detektering nær systemets overflate av et ringrom-trykksignal som en funksjon av tiden, hvilket er representativt for trykkoscillasjonen i borefluidet i ringrommet, som forårsakes av borefluid-pumpen; b) detektering nær systemets overflate av et slamrør-trykksignal som en funksjon av tiden, hvilket er representativt for trykkoscillasjonen i borefluidet i slam-røret, forårsaket av borefluid-pumpen;karakterisert vedc) bestemmelse av fasedifferansen som en funksjon av tiden mellom ringrom-trykksignalet og slamrør-trykksignalet ved en spesiell oscillasjonsfrekvens av borefluidet som forårsakes av borefluid-pumpen; d) bestemmelse av den totale løpetid som en funksjon av tiden for en borefluid-trykkbølge langs en bane avgrenset av slamrøret nedover langs borestrengen og oppover langs ringrommet til overflaten som en funksjon av fasedifferansen og den spesielle oscillasjonsfrekvens; e) bestemmelse av endringshastigheten til den totale løpetid; og f) sammenligning av endringshastigheten til den totale løpetid med en forutbestemt grense for å generere et støt-alarmsignal hvis grensen blir overskredet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisert vedat trinnet med å bestemme løpetiden T ved en tid t, innbefatter evaluering av funksjonen:

hvor <t> representerer f asedif f eransen, f representerer den spesielle oscillasjonsfrekvens, og n er et heltall som blir inkrementert eller dekrementert