NO328431B1 - Seismisk deteksjonsapparat og fremgangsmate - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat og en fremgangsmåte for seismisk deteksjon ved seismiske undersøkelser under boring.

Ved konvensjonell seismisk deteksjon blir et seismisk kildesignal reflektert fra forskjellige bergartssubstrater eller sedimentlag i undergrunnen, for derved å frembringe kompresjonsbølger og skjærbølger som kan analyseres for å bestem-me retningen og utstrekningen av geologiske egenskaper i sedimentlagene.

Det er mulig å bruke en borkrone til å produsere et seismisk kildesignal under boring, og teknikker for å analysere disse signalene for å frembringe informasjon om bergartsformasjoner, er blitt undersøkt. Grunnprinsippet for seismiske undersøkelser under boring innbefatter en borkrone i arbeid som ødelegger berg-artene ved bunnen av et borehull, og som derved utstråler akustisk energi i omgivende geologiske formasjoner. Noe av denne energien forplanter seg direkte til overflaten hvor den kan detekteres ved hjelp av geofoner, eller ved hjelp av hydrofoner hvis brønnen er til sjøs. Noe av energien stråler nedover foran borkronen, hvor den kan reflekteres av impedansekontraster i undergrunnen. Denne reflekterte energien blir også detektert ved overflaten. Undervisse boreforhold, f.eks. når det bores horisontale brønner, er imidlertid teknikker for anvendelse av seismiske undersøkelser under boring vanskelig ettersom akustiske refleksjoner fra sedimentlagene ikke blir reflektert mot overflaten. En fremoverseende fremgangsmåte i forbindelse med et apparat for måling under boring, er f.eks. beskrevet i US-patent nr. 5,678,643. En VSP-basert fremoverseende fremgangsmåte i forbindelse med et apparat for måling under boring, er f.eks. beskrevet i EP-A-0795764.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe et apparat og en tilhø-rende fremgangsmåte for behandling som gjør det mulig å samle inn og analysere seismiske borehullsmålinger under boring, spesielt for spiralrør-systemer og ved boring av horisontale brønner.

Ifølge et første aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for undersøkelse av en undergrunnsformasjon foran en borkrone som gjennomtrenger formasjonen, omfattende følgende trinn

(a) å senke en bunnhullsanordning ned i et borehull fylt med et fluid,

idet anordningen omfatter borkronen, en akustisk energikilde og et antall mottakere som er følsomme for akustisk energi;

(b) å drive borkronen for å forlenge borehullet; idet fremgangsmåten er kjennetegnet ved: (c) å anvende den akustiske kilde under drift av borkronen til å utsende akustisk energi i fluidet og formasjonen, for derved å generere en primær kompre-sjonsbølge som forplanter seg inne i fluidet og sekundære kompresjonsbølger som forplanter seg inne i fluidet, idet de sekundære bølger er bølger som omformes til kompresjonsbølger ved den nedre ende av borehullet fra akustisk energi som er reflektert innenfra formasjonen; (d) å detektere de primære kompresjonsbølger; (e) å anvende informasjon utledet fra den detekterte primærbølge til å detektere de sekundære kompresjonsbølger; og (f) å evaluere de detekterte sekundære kompresjonsbølger for å oppnå egenskaper ved formasjonen foran borkronen.

Det beskrives også en fremgangsmåte for seismiske undersøkelser under boring innenfra et borehull som inneholder fluid, med en kilde og mottakere anordnet i borehullet, omfattende det å anslå bølgehastigheten i fluidet for å tilveiebringe et hastighetsanslag; å anvende støysignaler i seismiske signaler mottatt i borehullet til å forfine hastighetsanslaget slik at det kan frembringes en forfinet verdi av hastigheten; og å anvende den forfinede verdi til å identifisere små amplitudesignaler fra bølger i fluidet.

Småamplitude-signalene representerer fortrinnsvis kompresjonsbølger som er omformet ved én ende av borehullet til bølger i fluidet, idet kompresjonsbølgene er reflektert fra formasjoner utenfor borehullet før omforming til bølger inne i fluidet.

Bølgene inne i fluidet er fortrinnsvis rørbølger, som er hydrauliske bølger som forplanter seg ved lave frekvenser ned gjennom fluidfylte borehull. Definisjo-nen av «lav» er at omkretsen av borehullet er liten sammenlignet med en bølge lengde av akustiske bølger i det frie fluid. Over tverrsnitt av borehullet er trykkfordelingen tilnærmet konstant. Ved tilstrekkelig lave frekvenser er rørbølgene den eneste akustiske forplantningsmodus som er fremherskende gjennom fluidet.

Når frekvensen nærmer seg null, er hastigheten av rørbølgen c i det ringrom som omgir en borestreng, som i igjen er omgitt av bergarter, gitt ved:

hvor co er kompresjonsbølge-hastigheten i det frie fluid, p er fluiddensiteten, \ i er skjærmodulen til den omgivende bergart, r er borehullsradien og a er radien av borestrengen.

Ved høyere frekvenser (dvs. ikke «lave» i henhold til ovennevnte definisjon) kan det være mer enn én fremherskende fluidboret modus for akustisk forplant-ning. Rørbølgen vil vanligvis bli ansett å være den modus hvor, for en monokro-matisk bølge som beveger seg én retning langs borehullet, trykkfordelingen over et tverrsnitt av borehullet på ett tidspunkt har samme fortegn over alt. Modus-hastigheten vil også være ganske nær den som er gitt i ligning [1].

De støysignaler som benyttes til å forfine hastighetsanslaget, er fortrinnsvis fra en direktebølge i fluidet som opptrer med tilnærmet null forskyvning, idet denne bølgen fortrinnsvis er en direkte rørbølge.

Det beskrives videre en fremgangsmåte for seismisk analyse av datasignaler innenfra et borehull som inneholder fluid, omfattende det å identifisere signaler som er et resultat av kompresjonsbølger omformet ved et brønnhode til en bølge i fluidet.

Fortrinnsvis ligger de identifiserte signaler etter den direkte bølgeankomst med toveis-forplantningstiden for en kompresjonsbølge som forplanter seg fra en borkrone i borehullet til en reflektor i undergrunnen, og som returnerer til brønnho-det. Vanligvis forventes de detekterte signaler å ha en hastighet i borehullet som er mindre enn 2000 m/s, sannsynligvis i størrelsesorden 1000 m/s. Forekomsten av oppad- og nedad-gående bølger i borehullet kan også identifiseres,

et prediksjonsfilter kan beregnes, idet prediksjonsfilteret blir benyttet til å fjerne

uønskede signaler fra datasignalene, og utflytningsanalyse (move-out analysis) kan utføres.

Ved å identifisere de oppad- og nedad-gående bølger, kan rørbølger i borehullet klart identifiseres, og deres komponenter som skyldes reflekterte seismiske signaler av interesse, kan identifiseres.

Vanligvis er de identifiserte oppad- og nedad-gående bølger aksialbølger og rørbølger. Prediksjonsfilteret er fortrinnsvis beregnet fra aksialbølgene og en direkte rørbølge fra innsiden av borehullet.

Datasignaler kan kombineres med stråledannelse for å atskille de oppad-og nedad-gående bølger. I tillegg innbefatter et foretrukket trinn å utføre korrelasjon og/eller stakking av datasignalene nede i borehullet for å redusere den da-tamengde som skal overføres til overflaten.

Sampling av datasignalene kan også utføres for å redusere datahastigheten av de signaler som skal overføres til overflaten. En foretrukket båndbredde for mottakeren er 800Hz og et samplingsnivå på 2K sampler/sekund/sensor.

Utflytningsanalyse, dvs. tidsforskyvning av signalene slik at refleksjoner fra en felles reflektor inntreffer til samme tid, blir fortrinnsvis utført ved å kombinere inntrengningshastigheten til borkronen med en målt kompresjonsbølge-hastighet. Dette forbedrer signal/støy-forholdet.

Når den seismiske kilde er en kontinuerlig bølgekilde, kan fremgangsmåten også innbefatte anvendelse av oppsveiping for å fjerne støy.

Det beskrives også en fremgangsmåte for fremoverseende sonar som anvender enhver kombinasjon av de ovenfor beskrevne fremgangsmåter.

Det er også tilveiebrakt et annet aspekt ved oppfinnelsen, nemlig et apparat for å undersøke en undergrunnsformasjon foran en borkrone som gjennomtrenger formasjonen, omfattende

(a) en akustisk energikilde for utsendelse av akustisk energi under boring; (b) mottakere for å detektere kompresjonsbølger som forplanter seg gjennom et fluid i borehullet under boring; og der apparatet er kjennetegnet ved (c) et signalbehandlingsfilter som anvender informasjon utledet fra en primær kompresjonsbølge som forplanter seg gjennom fluidet for å identifisere de sekundære kompresjonsbølger som forplanter seg gjennom fluidet, idet de sekundære kompresjonsbølger er karakteristiske for formasjonen foran borkronen.

Oppfinnelsen angår også i et ytterligere aspekt en spiralborestreng der det til denne er festet nevnte apparat.

Apparatet omfatter fortrinnsvis en forfiningsanordning som anvender støy-signaler i datasignalene til å forfine hastighetsanslaget for frembringelse av en forfinet verdi av hastigheten, og en første identifiseringsanordning for å identifisere småamplitude-signaler fra bølger i fluidet under anvendelse av den forfinede verdi.

Med et slikt apparat identifiserer fortrinnsvis den første identifiseringsanordning signaler som er et resultat av reflekterte kompresjonsbølger omformet ved en brønnbunn til en bølge i fluidet.

I tillegg kan en annen identifiseringsanordning være tilveiebrakt for å identifisere forekomsten av oppad- og nedad-gående bølger i borehullet, en beregningsanordning for å beregne et prediksjonsfilter og for å anvende prediksjonsfilteret til å fjerne uønskede signaler fra datasignalene, samt en analyseanordning for å utføre utflytningsanalyse.

En kombineringsanordning for å kombinere datasignalene med strålefor-ming kan også være tilveiebrakt.

Det beskrives også et apparat som omfatter en bæreanordning som en borkrone er løsbart festet til, en bølgekilde festet i nærheten av borkronen, og et antall mottakere ved atskilte posisjoner langs bæreanordningen for å danne en logaritmisk sammenstilling.

Bæreanordningen er fortrinnsvis en rørformet borestreng, og kan med fordel være anordnet med spiralrør eller oppviklede rør. Dette muliggjør direkte til-kopling av borkronen, bølgekilden og mottakerne til et fjerntliggende sted, vanligvis på overflaten, hvorfra boringen blir styrt. Forbindelse til overflaten kan etable-res ved hjelp av en kabel for derved å frembringe en forbindelse med lav støy og høy datahastighet til overflaten. Andre anordninger for utveksling av signaler mellom det seismiske deteksjonsapparat og overflaten innbefatter slampuls-telemetri og borestreng-telemetri. De to siste metodene er for tiden beheftet med en lav overføringshastighet og blir fortrinnsvis kombinert med metoder for komprimering av dataene eller anordninger for behandling nede i borehullet, som beskrevet ovenfor.

Bæreanordningen kan også innbefatte en bunnhull-anordning som borkronen er løsbart festet til.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et seismisk fremoverseende analy-seapparat som kan brukes i enhver brønntype, men som er spesielt fordelaktig under anvendelse i ikke-vertikale eller horisontale brønnen hvor brønngeometrien avbryter seismiske refleksjoner og reduserer deres ankomst til overflaten.

Bølgekilden kan være forsynt med en pulskilde, slik som en mekanisk pulskilde energisert ved differensialtrykk i slammet. Anvendelsen av en pulskilde er

fordelaktig idet den haren uavhengig kraftforsyning og ikke behøver direkte kraft-forbindelse til overflaten via bæreanordningen. Bølgekilden kan imidlertid være en kontinuerlig bølgekilde (CW-kilde), som er fordelaktig ettersom frekvensinnholdet til kildesignalet kan styres for å sikre at signalet frembringer et område med frekvenser, dvs. et sveip, samtidig som det opprettholdes et glatt spektrum. Dette er en hjelp sammen med signalbehandling for å finne akustiske refleksjoner blant den bakgrunnsstøy som er tilknyttet borkronen.

Mottakerne er vanligvis trykksensorer, slik som hydrofoner, og tilveiebringer sampling over hele bølgetall-spekteret for bølgekilden. Fortrinnsvis midler hver av mottakerne et mottatt signal over omkretsen av borestrengen for å redusere asymmetriske effekter i borehullet. Typiske eksempler på slike mottakere er kjent som ringhydrofoner.

For å bidra til behandling av de signaler som mottas av mottakerne, kan det være tilveiebrakt et aksialt akselerometer. Dette muliggjør måling av inntrengningshastigheten til borkronen og bidrar til utflytningsanalyse.

De ovenfor beskrevne fremgangsmåter er for bruk med det ovenfor nevnte seismiske deteksjonsapparat.

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen, samt foretrukne utførelsesformer og varianter av denne, og ytterligere fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå og bli for-stått av fagfolk på området ut fra den detaljerte beskrivelse og de vedføyde teg-ninger, hvor: Fig. 1 er et skjematisk eksempel på et deteksjonsapparat ifølge foreliggende oppfinnelse; Fig. 2 viser en skjematisk skisse av seismiske signaler som opptrer i et borehull; og Fig. 3 viser et illustrerende eksempel på seismiske signaler i borehullet ved betraktning av ankomsttid som funksjon av hydrofonposisjon.

MÅTE(R) FOR UTFØRELSE AV OPPFINNELSEN

Tilveiebringelsen av et seismisk deteksjonsapparat for å gjøre det mulig å se forut for borkronen under boring, er ofte vanskelig. F.eks. oppstår det proble-mer med nesten vertikale undersøkelsesbrønnen når det gjelder å finne impedan-seendringer foran borkronen, og også med horisontale brønner hvor sprekker foran borkronen sprer tilbake energi og ikke reflekterer seismisk energi mot overflaten. Signal/støy-forholdet under anvendelse av seismisk deteksjon i slike brønner, er lavt, og behandlingen av seismiske signaler for å tilveiebringe nyttig substrat-informasjon blir vanskelig. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en seismisk kilde og en mottaker nede i hullet, som benytter en akustisk kilde og mottakere for å se forut for borkronen. Denne nedhulls kilde- og mottaker-kombinasjon kan betraktes som en «borehullssonar» der den akustiske kilde er anbrakt så nær enden av borehullet som mulig, og hvor mottakerne er anbrakt langs en bunnhullssammenstilling (BHA).

På fig. 1 er det vist en utførelsesform av oppfinnelsen bestående av en BHA 10 , montert på et spiralrør 11 og elektrisk forbundet med overflaten på en slik måte at det muliggjør overføring av elektrisk energi fra overflaten til borehullet, og muliggjør overføring av data i begge retninger, samt en behandlingsmetode for å finne det reflekterte energisignal i den oppadgående rørbølge i et borehull. For-bindelsen til overflaten ved hjelp av en kabel 12 inne i spiralrøret 11 tilveiebringer en forbindelse med høy datahastighet til overflaten, og til en kraftforsyning på overflaten. Denne kabelforbindelsen muliggjør også overføring av elektrisk energi fra overflaten ned i hullet, og overføring av data i begge retninger.

En borekrone 13 som er montert ved bunnenden av BHA 10, kan roteres enten ved virkningen av slammet (en turbin eller positiv fortrengningsmotor), eller ved hjelp av elektrisk kraft eller en kombinasjon av disse. Over borkronen 13 er det anbrakt elektriske drivanordninger 14, magnetostriktive eller piezo-elektriske f.eks., som er drevet elektrisk. Drivanordningene i dette eksempelet er optimalisert for kontinuerlig drift.

Langs BHA er det montert en sammenstilling av ringhydrofoner 15 hvis avstand bestemmes av behovet for nøyaktig måling av det akustiske signal som forplanter seg opp og ned i borehullet, hovedsakelig i fluidet (rørbølger), og for å dis-kriminere mot bølger som forplanter seg opp og ned i metallet i borestrengen (bo-restrengbølger), ved driftsfrekvensene til drivanordningen 14.

Et eksempel på hydrofonposisjoner ved anvendelse av 8 hydrofoner, er 0, 0.15, 0.40, 0.81,1.48, 2.60, 4.45 og 7.50 meter (relativ avstand). I et annet eksempel hvor det benyttes 16 hydrofoner, er de relative posisjoner 0, 0.15, 0.32, 0.52, 0.76, 1.02, 1.33, 1.69, 2.10, 2.58, 3.14, 3.78, 4.51, 5.37, 6.36 og 7.50. Anvendelsen av flere hydrofoner muliggjør bedre diskriminering mellom forskjellige forplantningsmodi. En regulær hydrofongruppe er også mulig, f.eks. 16 hydrofoner med avstand 0,22 meter.

Ett eller flere aksiale akselerometere (ikke vist) blir brukt til å frembringe et estimat over borkronens inntrengningshastighet ved integrasjon av den målte ak-selerasjon.

Under drift frembringer de elektriske drivanordninger 14 det seismiske kildesignal og er optimalisert for kontinuerlig drift, idet de sender det samme signal inn i de omgivende bergarter med jevne mellomrom. Den kontinuerlige bølgekilde som er tilveiebrakt av hver slik drivanordning, produserer en bølge med lav ut-gangseffekt, men med lang varighet og med en regulerbar båndbredde slik at bøl-gesignalet kan oppta hele den båndbredde som er av interesse og bringe et glatt frekvensspektrum. Signalet kan være et lineært, oppsveipet signal som minimali-serer effekter som skyldes harmonisk signalforvrengning eller ethvert signal hvis autokorrelasjon er en båndbegrenset spisspuls.

Alternativt kan en mekanisk pulsdrivanordning benyttes til å levere signaler med høy øyeblikkseffekt. For denne type signalkilde er det ikke mulig å regulere signalets frekvensinnhold, og for å stakke data vellykket fra hydrofonene under behandlingstrinnet, er det nødvendig med en uavhengig kildesignatur-måling.

Drivanordningen 14 opererer fortrinnsvis ved en frekvens hvor der ikke er noen betydelig iboende dempning av kompresjonsbølger i det omgivende substrat, og siden oppløsningen øker med båndbredden, bør det brukes en så høy frekvens som mulig. Det valgte driftsområde for drivanordningen varierer derfor avhengig det omgivende bergsubstrat. I langsomt dempende omgivelser, slik som skifere med en kompresjonsbølge-hastighet på 2500 m/s, vil høye frekvenser ikke trenge inn, noe som gir en driftsbåndbredde i området 500-1000 Hz. For hard kalksten med liten dempning og med en kompresjonsbølge-hastighet på 5000 m/s, er det nødvendig med en båndbredde på 1000 Hz for å gi den samme opp-løsning som for skifere og senderens driftsområde er da 1000-2000 Hz.

Senterfrekvensen og frekvensområde til signalet fra drivanordningen 14, kan endres via en styrekanal. Dette gjør det mulig å tilpasse datainnsamling til de omgivende substrater, slik at for langsomme bergarter med høy ROP og med dempning, blir det benyttet en forholdsvis lav frekvens. Dermed unngås utstakking av signalet og dempningen reduseres, mens det fremdeles oppnås tilstrekkelig oppløsning. I hurtige bergarter med langsom ROP blir det benyttet en høyere frekvens, idet det trekkes fordel av bedre signaleffektivitet, mens den samme rom-messige oppløsning fremdeles kan oppnås.

De forskjellige bølger i et fluidfylt borehull 20 og det omgivende substrat 21, er vist skjematisk på fig. 2, hvor det antas at den eneste bølgeenergi-kilden i borehullet er borkronen. BHA 10 på fig. 1 er vist anbrakt ved bunnen av borehullet.

Vanligvis vil det være minst fire forskjellige bølger som mottas ved hydrofonene, svarende til rørbølger opp og ned i borehullet og aksialbølger opp og ned i borehullet og borestrengen 11. Det kan også være ytterligere hovedbølger generert i fluidet, slik som den kompresjonsbølge som overføres av borehullsveggene. Disse bølgene vil ha en rekke forskjellige bølgelengder siden aksialmodiene beveger seg ved omkring 5000 m/s, og rørbølgene ved omkring 1000 m/s. Hastigheten til rørbølgen er relatert til den omgivende bergartens skjærmodulus, idet hastigheten avtar når skjærmodulusen til den omgivende bergart avtar.

Ved lave frekvenser av det seismiske kildesignal vil det være en aksial bo-restrengbølge (som forplanter seg med omkring 5000 m/s), og en direkte rørbølge, og disse bølgene vil fremkalle etterklanger i borehullet 20 og borestrengen 11, slik at det produseres en rekke rørbølger og aksialbølger. Videre blir kildesignalet reflektert fra det omgivende substrat som kompresjons- og skjær-bølger som adderes til amplituden av rørbølgene i borefluidet. Det vil være flere signaler tilknyttet hver akustisk refleksjon, idet den viktigste av disse er rørbølgen og hoved-bølgen.

Bølger som forplanter seg gjennom borestrengen blir vanligvis betegnet «D», mens bølger som forplanter seg gjennom det fluidfylte borehullet vanligvis betegnes «T». Bokstaven «P» representerer kompresjonsbølger som forplanter seg gjennom de geologiske formasjoner som omgir borehullet. Kombinasjoner av disse bokstavene betegner refleksjonsbanen til en bølge før den blir detektert ved hydrofonene, f.eks. representerer «TT» en bølge som oppsto som en oppadgående rørbølge og så ble reflektert som en nedadgående rørbølge, mens «DT» representerer en bølge som forplantet seg opp gjennom borestrengen 11 og så ble reflektert tilbake ned gjennom borehullet 20 som en rørbølge.

Den første ankomst ved hydrofonene er merket «D» for borestreng (drillstreng). Denne har kommet opp gjennom borestrengen som en aksialbølge. Når der er et refleksjonspunkt 22 over hydrofongruppen, blir en del av denne bo-restrengbølgen reflektert tilbake som «DD», en borestrengbølge med samme utflytting (move-out) som «D», men i motsatt retning. En del av borestrengbølgen blir omdannet til en nedadgående rørbølge «DT». Dette er en meget langsommere bølge og den har derfor meget større utflytting over gruppen. Overlappende med «DT» er hovedrørbølge-ankomsten «T». Dette er det direkte rørbølgesignal som kommer fra borkronen 13. En del av denne blir reflektert ned som en bore-strengbølge («TD»), og en del som en nedadgående rørbølge («TT»).

Alle de ovennevnte ankomster er støy og inneholder ingen litologiske refleksjoner. Den ankomst som er merket «PP», er kompresjonsbølgen eller P-bølgen, et signal hvor en kompresjonsbølge har gått fra borkronen, blitt reflektert ved en reflektor 23 foran borkronen 13 og beveger seg gjennom bergarten 24.

Selv om bølgen forplanter seg i en bergart, gjør omformingen av bølgen ved bunnen av borehullet det mulig for hydrofonene å plukke opp et trykksignal: Ankomst «PPT» resulterer fra der hvor bølgen har forlatt borkronen 13 som en P-bølge, blitt reflektert under borkronen fra reflektoren 23 som en P-bølge, og omdannet til en rørbølge ved bunnen 21 av borehullet. Signalet beveger seg forbi hydrofonene med hastigheten av en rørbølge, og tidsdifferansen mellom hoved-rørbølgen «T» og den subsidiære rørbølge «PPT» er den toveis forplantningstid for en P-bølge fra borkronen til reflektoren 23.

Ankomst «TTT» viser rørbølgeenergi som har kommet fra borkronen 13 som en rørbølge, blitt reflektert over hydrofonene og så igjen blitt reflektert fra bo-rehullsbunnen 21.

De forskjellige bølgeankomster forårsaker trykkendringer ved hydrofonene som reagerer ved å frembringe et signal. Hvis råsignalet blir samplet ved å bruke 16 bits sampling og en 2 kHz samplingsfrekvens (Nyquist), blir datahastigheten 32 kbits/sekund/mottaker. Det er dette signalet som blir overført til overflaten langs kabelen 12 og så analysert, som beskrevet senere.

En viss behandling av dataene kan utføres nede i borehullet, f.eks. korrelasjon og stakking, hvis kabelen ikke kan bære den nødvendige datahastighet. Hvis dataene derfor blir krysskorrelert med signalet fra drivanordningene, stakket til én bølgeform/sekund og tidsvindu-styrt til lyttetiden, så kan datahastigheten reduseres til en kbit/sekund/mottaker. Fordelen ved å behandle datasignalene med relasjon til rørbølgen, er at rørbølgehastigheten over gruppen er hovedsakelig konstant og sannsynligvis har høyere amplitude enn hovedbølgen. Fordelen ved behandling med relasjon til hovedbølgen, er at hovedbølgen gir en direkte måling av kompresjonsbølge-hastigheten i formasjonen. Hvis denne hastigheten imidlertid er nær til hastigheten av aksialbølgene i borestrengen (slik som i hard kalksten), så vil denne målingen vanligvis være umulig.

Den direkte rørbølge og aksialbølgen har konstant en større amplitude enn de bølger som reflekteres av formasjoner i de omgivende bergartssubstrater. Ved anvendelse av kilden for å se 30 meter forover inn i de omgivende sedimentlag, så må vanligvis den direkte rørbølge «T» som frembringes av drivanordningen, være 10 000 ganger større enn en komponent av rørbølgen på grunn av en refleksjon.

Når rådataene, innbefattet bakgrunnsstøy og reflekterte akustiske signaler av interesse, er tilgjengelige, er behandling av disse dataene før stakking nødven-dig for å samle inn og behandle de signaler som vedrører rørbølgen, og for å detektere akustiske refleksjoner i rørbølgen.

På fig. 3 er det vist et illustrerende eksempel av det signal som mottas ved fire ringhydrofoner anbrakt ved relative posisjoner langs gruppen på 0,1, 3 og 7 meter. For enkelhets skyld er de forskjellige viste ankomster generert av en pulskilde. De forskjellige ankomstene er vist med en størrelse som illustrerer deres virkelige amplituder, men disse dataene er rent syntetiske og ikke ment å være realistiske.

Hver hydrofontrase viser de seismiske signaler som er mottatt ved hydro-fonen over tid, med utflyttingen av hver bølge over gruppen med hydrofoner vist med en tykk linje.

Den første ankomst ved hydrofonene er den for aksialbølgen «D» i borestrengen med utflytting 30. Utflyttingen 31 av den reflekterte borestrengbølge «DD» er den samme som utflyttingen 30 for «D», men i motsatt retning.

Den nedadgående rørbølge «DT» er en meget langsommere bølge enn aksialbølgene «D» og «DD» og har dermed meget større utflytting 32 over gruppen. Overlappende med «DT» er hovedrørbølge-ankomsten «T» 33, idet en del av denne direkte rørbølgen blir reflektert tilbake nedover som en borestrengbølge «TD» 34, og noe som en nedadgående rørbølge «TT» 35.

Utflyttingene 36, 37 i forbindelse med kompresjonsbølgen «PP» og den omformede kompresjonsbølge «PPT», respektive, er forskjellige ettersom «PPT» er blitt omdannet til en rørbølge ved bunnen av borehullet og beveger seg forbi hydrofonene ved den langsommere hastigheten til en rørbølge. Tidsdifferansen mellom «T» og «PPT» er den toveis forplantningstid for en P-bølge fra borkronen til reflektoren.

Ankomsten «TTT» 38 er rørbølge-energi som har kommet fra borkronen som en rørbølge, blitt reflektert over hydrofonene og så igjen blitt reflektert fra bunnen av borehullet. Denne beveger seg forbi hydrofonene med samme hastighet som det signal som er av interesse «PPT», og dermed kan «TTT» ikke skjel-nes fra «PPT» ved hjelp av bølgeforming eller andre utflyttingsbaserte metoder. Energien i ankomsten «TTT» har imidlertid allerede passert gruppen i nedad-gående retning, og dermed kan noe av den fjernes ved å finne et prediksjonsfilter for den oppadgående rørbølge-energi basert på den nedadgående rørbølge-energi. For å unngå dette filteret som kansellerer det «PPT»-signalet som er av interesse, er det best å beregne prediksjonsfilteret ut fra signalet før korrelasjon og stakking, for å innbefatte så meget borkronestøy i filteret som mulig.

Det er vanskelig å isolere «PPT»-ankomstene ettersom de har små amplituder og vanlig behandling vil svikte når det gjelder å finne disse ankomstene. Rørbølge-hastigheten kan imidlertid anslås fordi den varierer lite mellom forskjellige borehull ettersom rørbølge-hastigheten hovedsakelig er avhengig av egenska-pene til fluidet i borehullet. Dette hastighetsanslaget blir brukt til å identifisere de store støysignalene «T». Når de store støyhendelser er blitt identifisert, kan den anslåtte rørbølge-hastighet forfines til en verdi som representerer den virke-

lige rørbølge-hastighet i det spesielle borehullet.

Med en nøyaktig rørbølge-hastighet kan de små «PPT»-ankomstene, som ellers ville bli forkastet som ubetydelige, fokuseres på og den etterfølgende behandling utføres på disse identifiserte «PPT»-signalene.

Behandling av signaler mottatt ved hydrofonene er som følger, med sikte på at behandlingen skal isolere oppadgående rørbølger «PPT» som er blitt generert av kompresjonsbølger som kommer fra borkronen, så ble reflektert fra struktu-rene i bergarten foran borkronen, og så omformet ved enden av borehullet til op-padgåene rørbølger i borehullet. Behandling av signalet for å finne de akustiske refleksjoner blant bakgrunnsstøyen blir assistert av et glatt spektrum produsert av en kontinuerlig bølgekilde. Bølgeformene i dataene blir omformet i oppad- og nedad-gående akustiske bølger, med kompresjonskomponenter. Foreløpig korrelasjon og stakking av dataene kan utføres nede i borehullet for å frembringe en re-dusert datahastighet som kan overføres til overflaten langs kabelen.

Signalene fra de enkelte hydrofoner blir så kombinert ved bruk av stråle-forming til anslag av de oppad- og nedad-gående rørbølger og oppad og nedad-gående aksialbølger som krysser sensorgruppen. Hastigheten til rørbølgen blir anslått fra empiriske data som tidligere er samlet inn. Ved å bruke det store an-komstsignalet for den oppadgående rørbølge som genereres direkte av drivanordningen (signalet «T» 33), kan hastigheten av rørbølgen forfines ytterligere til en virkelig hastighet i det spesielle borehull som dataene er blitt samlet inn i. Amplituden av borestrengbølgen, eller aksialbølgeamplituden, vil vanligvis være mindre (på grunn av meget lavere kopling mellom en ringhydrofon og spenningsbølgen i stålet i (BHA) men borestrengbølge-hastigheten varierer meget lite i forskjellig bo-rehullsmiljøer, og dermed kan dens hastighet anslås med høy nøyaktighetsgrad.

Etter bestemmelsen av hastighetene til den oppadgående rørbølge «T» og borestrengbølgen «D», blir signalet forsterket ved hjelp av strålestyring for å se på bølger som beveger seg opp gjennom borehullet med rørbølgens hastighet. Det vil imidlertid også være støy relatert til disse bølgene, slik som «DT» og «TT». I mot-setning til den direkte rørbølge «T» fra senderen, som opptrer ved eller nær nullti-den, vil disse rørbølgene være ved lignende tider som de akustiske hendelser som er av interesse, dvs. «PPT»-hendelsene. Ved å strålestyre gruppen til rørbølger som kommer nedenfra borehullet, kan imidlertid disse hendelsene identifiseres før de reflekteres fra bunnen av borehullet. Ved å isolere både oppad- og nedad-gående bølger blir det beregnet et prediksjonsfilter som fjerner oppadgående bøl-ger som tidligere har kommet ned gjennom borehullet.

Dette filteret blir så anvendt på de oppadgående bølgedata for å fjerne komponenter som skyldes borehullsrefleksjoner fra signalet, forårsaket av etter-klangen av den direkte rørbølge og aksialbølgen i borehullet. På denne måten kan oppadgående bølger utledet fra bølger som tidligere har kommet ned gjennom borehullet, fjernes.

En del av refleksjonene som opptrer, kan også tas hensyn til ved å benytte prediktive dekonvolveringsmetoder for å anslå formen av den aktuelle oppadgående rørbølge-«småbølge».

Det aksiale akselerometer er filtrert ned til en meget lav frekvens og blir tidsintegrert opp for å gi intrengningshastigheten (rate of penetration, ROP) nede i hullet. Den målte ROP for borestrengen blir kombinert med den best tilgjengelige måling av kompresjonsbølge-hastigheter i bergarten for ytterligere å forbedre sig-na l/støy-forholdet ved å utføre utflyttingsanalyse. Dette tidsforskyver signalene slik at refleksjoner fra en felles reflektor i berggrunnen inntreffer på samme tid. Hendelser som skyldes egenskaper i borehullet eller borestrengen vil nå opptre ved andre tider enn de reflekterte signaler som er av interesse. Anvendelse av ikke-lineære filtreringsteknikker, slik som medianfiltrering, vil ytterligere fremheve re-fleksjonssignalet.

Fordelen ved utflyttingsanalyse er at den forsterker hendelser direkte foran borkronen. Ulempen er at hendelser ved en vid vinkel i forhold til borkronen, vil bli dempet. Ved å anvende bilder fra et langt tidsintervall kan den laterale dekning kunne brukes til å finne, ikke bare avstanden til et mål, men vinkelen også. For å oppnå et bevegelseskorrigert bilde vil dataene måtte bli migrert. For å gjøre dette må posisjonen av kilden og mottakerne være kjent slik at det aksiale akselerometer blir kombinert med en overflatedybde-måling for å oppnå det beste anslag av bitposisjonen som funksjon av tiden.

Med den fremgangsmåte som er beskrevet ovenfor muliggjøres identifika-sjon av «PPT»-bølgesignalet, noe som muliggjør en fremoverseende sonar for horisontale og nesten horisontale brønner. Dette gjør det mulig å identifisere strømningssprekker i horisontale brønner i hard kalksten, og analyse av «PPT»-signalet kan benyttes til å styre borkronen under boring.

Claims (18)

1. Fremgangsmåte for undersøkelse av en undergrunnsformasjon (24) foran en borkrone (13) som trenger inn i formasjonen, idet fremgangsmåten omfatter: (a) å senke en bunnhullsanordning (10) ned i et borehull (20) fylt med et fluid, hvilken anordning omfatter borkronen (13), en akustisk energikilde (13, 14) og et antall mottakere (15) som er følsomme for akustisk energi; (b) å drive borkronen for å utvide borehullet; karakterisert ved(c) å benytte den akustiske kilde (13,14) under drift av borkronen, til å sende akustisk energi inn i fluidet og formasjonen, for derved å generere en primær kompresjonsbølge som forplanter seg inne i fluidet og sekundære kompre-sjonsbølger som forplanter seg inne i fluidet, hvilke sekundære bølger er bølger som omformes til kompresjonsbølger ved bunnenden (21) av borehullet fra akustisk energi som reflekteres (23) innenfra formasjonen; (d) å detektere de primære kompresjonsbølger; (e) å benytte informasjon utledet fra den detekterte primære kompresjons-bølge til å detektere de sekundære kompresjonsbølger; og (f) å evaluere de detekterte sekundære kompresjonsbølger for å tilveiebringe egenskaper ved formasjonen foran borkronen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kompresjonsbølgene i fluidet er rørbølger.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved(g) å anslå en hastighet for kompresjonsbølgene i fluidet; (h) å benytte den detekterte primære kompresjonsbølge til å forfine hastighetsanslaget for å frembringe en finere verdi av hastigheten; og (i) å benytte den finere verdi til å detektere små amplitudesignaler fra bøl-ger i fluidet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at de detekterte signaler ankommer etter den primære bølgeankomst med den toveis forplantningstid for en kompresjonsbølge som forplanter seg fra en borkrone (13) i borehullet (20) til en reflektor (23) i formasjonen og vender tilbake til bunnenden (21) av borehullet.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved å benytte strålestyring til å isolere bølgesignaler i henhold til hastighet og/eller forplantningsretning.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved å utføre utflyttingsanalyse ved å kombinere inntrengningshastigheten for en borkrone med en målt kompresjonsbølge-hastighet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at borkronen blir brukt som akustisk energikilde.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at de detekterte signaler har en hastighet i borehullet som er mindre enn 2000 m/s.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved å identifisere forekomsten av oppad- og nedad-gående bølger i borehullet, å beregne et prediksjonsfilter, å anvende prediksjonsfilteret til å fjerne uønskede signaler fra datasignalene.

10. Apparat for undersøkelse av en undergrunnsformasjon (24) foran en borkrone (13) som trenger inn i formasjonen, idet apparatet omfatter: (a) en akustisk energikilde (13, 14) for utsendelse av akustisk energi under boring; (b) mottakere (15) for å detektere kompresjonsbølger som forplanter seg gjennom et fluid i borehullet (20) under boring; og karakterisert ved(c) et signalbehandlingsfilter som benytter informasjon utledet fra en primær kompresjonsbølge som forplanter seg gjennom fluidet, til å identifisere sekundære kompresjonsbølger (PPT) som forplanter seg gjennom fluidet, idet de sekundære kompresjonsbølger er kjennetegnet av formasjonen foran borkronen.

11. Apparat ifølge krav 10, karakterisert veden identifiseringsanordning for å identifisere forekomsten av oppad- og nedad-gående bølger i borehullet, en beregningsanordning for å beregne et prediksjonsfilter og anvende prediksjonsfilteret til å fjerne uønskede signaler fra detekterte signaler.

12. Apparat ifølge krav 10, karakterisert ved et stråleformende filter for undertrykkelse av signaler i henhold til hastighet og/eller retning.

13. Apparat ifølge krav 10, karakterisert ved at mottakerne (15) er et antall trykksensorer som hver er utformet for å midle et mottatt signal over omkretsen av borehullet.

14. Apparat ifølge krav 13, karakterisert ved at avstanden mellom to tilstøtende trykksensorer varierer.

15. Apparat ifølge krav 10, karakterisert ved at kilden er borkronen (13).

16. Apparat ifølge krav 10, karakterisert ved at kilden er borkronen (13) i kombinasjon med drivanordninger (14).

17. Apparat ifølge krav 10, karakterisert veden anordning for overføring av signaler til overflaten.

18. Spiralborestreng, karakterisert ved at det til denne er festet et apparat ifølge krav 10.