NO339289B1 - Akustisk isolator for anvendelse i et borehull i undergrunnen - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse angår logging-under-boring-apparater og nærmere bestemt akustisk logging-under-boring-apparater og svekking av akustiske pulser som forplantes parallelt med boreretningen.

Relatert kjent teknikk

For å utvinne hydrokarboner så som olje og gass, bores brønner eller brønn-hull inn i grunnen gjennom hydrokarbonholdige undergrunnsformasjoner. For tiden innebærer en stor del av den løpende aktivitet ikke bare vertikale brønner, men også boring av horisontale brønner. Ved boring må informasjon fra selve brønnen innhentes. Selv om seismiske data har gitt informasjon med hensyn til det område som skal bores og tilnærmet dybde av et reservoar, er den seismiske informasjon ikke helt pålitelig ved store dybder. For å understøtte dataene, innhentes informasjon under boring ved hjelp av logging-under-boring- eller måling-under-boring- (MWD-) anordninger. Logging- eller måling-under-boring er en metode som har vært i bruk i mange år. Denne metoden foretrekkes av borere fordi den kan utføres uten å måtte avbryte boring for å logge et hull. Dette skyldes hovedsakelig at logging av et uferdig hull, før det om nødvendig må settes foringsrør, kan føre til utvaskinger, som skader det bore-arbeidet som allerede er utført. Dette kan stanse kompletteringen av brønnen og forsinke produksjon. Videre kan denne informasjon være nyttig under boring av brønnen, for å kunne foreta retningsendringer umiddelbart.

Fremskritt i MWD-målingene og borkrone-styresystemene som er plassert i borestrengen, gjør det mulig å bore de horisontale borehull med høyere effektivitet og gunstigere resultat. Nylig er horisontale borehull, som strekker seg flere tusen meter ("høyavviks"-borehull), blitt boret for å få adgang til hydrokarbonreserver ved reservoarflanker og å utvikle satellittfelt fra eksisterende offshore-plattformer. Enda nyligere, er det blitt gjort forsøk å bore borehull som tilsvarer tredimensjonale borehullsprofiler. Slike borehullsprofiler omfatter ofte flere oppbygginger og vendinger langs borebanen. Slike tredimensjonale borehullsprofiler muliggjør hydrokarbongjenvinning fra flere formasjoner og muliggjør optimal plassering av brønnhull i geologisk vanskelige formasjoner.

Hydrokarbongjenvinning kan maksimeres ved å bore de horisontale og komplekse brønner langs optimale lokaliteter i de hydrokarbonproduserende formasjoner. Avgjørende for å oppnå gunstig resultat med disse brønner, er å etablere pålitelig stratigrafisk posisjonskontroll under plassering av brønnen i målformasjonen og korrekt navigering av borkronen gjennom formasjonen under boring. For å oppnå slike brønnprofiler, er det viktig å bestemme borkronens sanne lokalitet i forhold til formasjonslag-grensene og grenser mellom de ulike fluider, så som oljen, gassen og vannet. Mangel på slik informasjon kan føre til alvorlige "borehullskne"-baner langs borehullet som skyldes hull- eller borebanekorrigeringer for å finne tilbake til reservoarene. Slike brønnprofiler begrenser vanligvis den horisontale rekkevidde og den endelige brønnlengde som blottlegges mot reservoaret. Optimering av borehulls-lokalitet i formasjonen kan også ha en betydelig innvirkning på maksimering av pro-duksjonshastigheter og minimering av gass- vannkoningsproblemer. Styring av effektivitet og geologisk posisjonering anses i industrien blant de største begrensninger ved nåværende boresystemer for boring av horisontale og komplekse brønner. Til-gjengelighet av forholdsvis presise, tredimensjonale, seismiske undergrunnskart, lokalisering av boresammenstillingen i forhold til laggrensene i formasjonen rundt boresammenstillingen kan i stor grad bedre sjansene for boring av borehull for maksimal utvinning. Kjente nedihullsanordninger kan ikke fremskaffe slik informasjon under boring av borehullene.

Moderne retningsboresystemer benytter vanligvis en borestreng som ved bunnen har en borkrone som roteres ved hjelp av en boremotor (vanligvis betegnet som "slammotoren"). Et antall sensorer og MWD-anordninger er plassert i umiddelbar nærhet av borkronen for å måle visse bore-, borehull- og formasjonsevalueringspara-metere. Slike parametere blir så brukt til å navigere borkronen langs en ønsket borebane. Typisk anvendes sensorer for måling av nedihullstemperatur og -trykk, asimut- og vinkelmåleanordninger og en formasjonsresistivitets-måleanordning anvendes for å bestemme borestreng- og borhulls-relaterte parametere. Resistivitets-målingene brukes til å bestemme nærværet av hydrokarboner mot vann rundt og/eller en kort strekning foran borkronen. Resistivitetsmålinger blir oftest brukt til å navigere borkronen. Imidlertid strekker resistivitetsanordningenes undersøkelses-dybde seg bare to til tre meter, og resistivitetsmålinger fremskaffer ikke laggrense-informasjon i forhold til bunnhullsstrengen. Videre blir resistivitetsanordningens lokalisering bestemt ved hjelp av et eller annet dybdemålingsapparat som er plassert på overflaten som har en feilmargin som ofte er større enn resistivitetsanordningens undersøkelsesdybde. Det er således ønskelig å ha et nedihullssystem som nøyaktig kan kartlegge laggrensene rundt delmontasjen nede i borehullet, slik at borestrengen kan styres for oppnåelse av optimale borehullsbaner.

Usikkerheten med hensyn til den relative posisjon av brønnhullet som bores og den kritiske nær-brønnhull-laggrensen eller -kontakten defineres av nøyaktigheten til MWD-retningsundersøkelsesverktøyene og usikkerheten med hensyn til forma-sjonshellingen. MWD-verktøyene kan utplasseres for å måle jordens tyngdefelt og magnetfelt for å bestemme inklinasjon og asimut. Kjennskap til brønnhullets kurs og posisjon avhenger fullstendig av disse to vinkler. Under normale forhold, er inklina-sjonsmålenøyaktigheten tilnærmet pluss eller minus to tideler av en grad. En slik feil fører til en mållokaliseringsusikkerhet på ca. tre meter pr. ett tusen meter langs borehullet. Dessuten er hellingsvinkelvariasjoner på flere grader vanlig. Den optimale plassering av borehullet er således meget vanskelig å oppnå basert på de for tiden tilgjengelige MWD-målinger, særlig i tynne reservoarer, hellende formasjoner og komplekse brønnhullskonstruksjoner.

Inntil nylig har logging-under-boring vært begrenset til resistivitetslogger, gammalogger, nøytronlogger og andre ikke-akustiske logger, ettersom akustisk støy forårsaket av boring og akustiske pulser som forplantes oppover strengen fra senderen har ført til problemer med hensyn til nøyaktig detektering og avgrensning. Disse problemer kan ikke lett løses isolert ved ankomsttid, da de akustiske pulser genereres og detekteres kontinuerlig. Nylig er bruken av akustiske sensorer, som har en forholdsvis kort avstand mellom mottakerene og senderen til å bestemme forma-sjonslaggrensene rundt nedihulls-delmontasjen blitt brukt. Et vesentlig element ved bestemmelse av laggrensene, er bestemmelsen av forplantningstiden til de reflekterte akustiske signaler fra laggrensene eller andre grenseflate-anomaler. Et tidligere kjent forslag har vært å benytte estimater av de akustiske hastigheter som oppnås fra tidligere seismiske data eller avviksbrønner. Slike akustiske hastigheter er ikke meget presise ettersom de er estimater av akustiske hastigheter i virkelig formasjon. Dessuten, ettersom dybdemålingene kan være flere meter fra nedihulls-delmontasjens sanne dybde, er det meget ønskelig å benytte akustiske hastigheter i virkelig formasjon bestemt nedihulls under boreoperasjonene for å lokalisere lag-grenser i forhold til borkronens lokalitet i borehullet.

Dessuten, er den mest signifikante støykilde for akustiske eller soniske sensormålinger, akustiske signaler som forplantes fra kilden til mottakerne via det metalliske verktøyhus og de som forplantes gjennom slamsøylen som omgir nedihulls-delmontasjen (rørbølger og "body-bølger" (engelsk: "body-waves")). I noen anvendelser benyttes akustiske sensorkonstruksjoner til å oppnå en viss grad av signal-retningsgivning. Et senderkoplingsopplegg med signalbehandlingsmetode kan brukes til å redusere virkningene av rørbølgen og body-bølgene. Slike metoder alene gir imidlertid ikke tilstrekkelig reduksjon av rør- og bodybølge-virkningene, særlig på grunn av sterk direkte kopling av de akustiske signaler mellom senderne og deres tilknyttede mottakere.

Noen US-patenter som er representative for teknikkens stilling når det gjelder bestemmelse av undergrunnsformasjoner er som følger.

US-patent nr. 4,020,452, med tittel "Apparatus For Use in Investigating Earth Formations", meddelt Jean-Claude Trouiller, et al., gjelder et apparat for mekanisk filtrering av akustiske pulser i et brønnloggeverktøy. Dette apparatet omfatter en hovedsakelig stiv del som har avbrudd i delens lengdekontinuitet. Disse avbrudd danner buktede baner for passasje av akustisk energi langs delen. Et antall masser er periodisk anordnet med innbyrdes avstand langs delens indre og hver er mekanisk integrert med motsatte sider av delen ved steder som er valgt for å sette delen og massene i stand til å samvirke som et mekanisk filter. Ved å gjøre dette, vil konstruk-sjonen som er laget av delen og massene ha gode akustiske forsinkelses- og svekningsegenskaper så vel som gode mekaniske egenskaper.

US-patent nr. 5,043,952, med tittel "Monopole Transmitter For a Sonic Well Tool", meddelt David C. Hoyle, et al., angår en monopol-sender for et sonisk verktøy som omfatter et aksialrør, en piezzokeramisk sylinder som omgir aksialrøret, en endekappe som er anordnet ved hver ende av og ligger fast an mot sylinderen, og et apparat for å holde endekappene fast mot aksialrøret. Endekappene ligger fast an mot aksialrøret uten samtidig å ligge an mot en øvre skillevegg. Apparatet kan omfatte fjærskiver anordnet mellom skilleveggen og minst én endekappe, eller det kan omfatte en fjær anordnet mellom en knutepunktsholder og hver endekappe. Et knute-punkts-holderrør kan være anordnet rundt aksialrøret, idet en ring er anordnet ved hver ende av knutepunkt-holderrøret. Idet hver ring er anordnet på utsiden av sylinderen for å skyve endekappene i strekk mot en ring for derved å holde hver endekappe i fast anlegg mot aksialrøret.

US-patent nr. 5,510,582, med tittelen "Acoustic Attenuator, Well Logging Apparatus and Method Well Logging", meddelt James R. Birchak, et al., angår et sonisk brønnverktøy for utførelse av akustiske undersøkelser av geologiske undergrunnsformasjoner som gjennomtrenges av et borehull. Brønnverktøyet omfatter generelt et langsgående legeme for posisjonering i borehullet. Verktøyet omfatter også en sender som bæres av legemet for utsending av akustisk energi og en mottaker som bæres av legemet for å motta akustisk energi. Verktøyet omfatter en akustisk svekningsseksjon plassert på legemet mellom senderen og mottakeren. Denne seksjon omfatter ett eller flere hulrom som avgrenses i legemet, masse-treghetselementer plassert innvendige i hulrommene på en passende måte for å danne en spalte mellom hulromsveggen og treghetsmasseelementene, og et akustisk svekningsfluid i spalten, metoden for å svekke soniske bølger omfatter generelt sending av en lydbølge fra senderen til verktøyet, passering av lydbølgen gjennom den akustiske svekningsseksjon, og mottakelse av svekket bølge ved mottakerne.

US-patent nr. 5,036,945, med tittel "Sonic Well Tool Transmitter Receiver Array Including an Attenuation and Delay Apparatus", meddelt David C. Hoyle, et al., angår et sonisk brønnverktøy som omfatter en senderrekke som har minst én monopol-sender og minst én dipole-sender og en mottakerrekke for å motta lydtrykksbølgesignaler fra en omgivende borehullsformasjon. Et første sveknings- og forsinkelsesapparat er plassert over mottakerrekken og et andre sveknings- og forsinkelsesapparat er plassert under mottakerrekken i det soniske brønnverktøy. Det første sveknings- og forsinkelsesapparatet omfatter et svekningselement omfattende et antall sammenføyde gummi- og metall-lignende skiver for å svekke trykk- og bøyebølger som propagerer langs en metall-senterstøttestang til mottakerrekken og et indre hus som omfatter en belgseksjon som har en korrugert form og en tynn tverrdimensjon for å forsinke propageringen av trykk- og bøyebølgene langs det indre hus til mottakerrekken. Det andre sveknings- og forsinkelsesapparat omfatter et antall massebelastningsringer som omgir ytterhuset til det soniske brønnverktøy for svekking av bøyningsbølger som propagerer opp ytterhuset fra en sonisk sender ved et ytterligere, indre hus som omfatter en ytterligere belgseksjon som har en korrugert form og en tynn tverrdimensjon for å forsinke forplantningen av trykk- og bøyebølger opp verktøyet, langs innerhuset, til mottakerrekken. Det soniske brønnverktøy omfatter også en differensialvolumkompensator for endring av innkapslet oljemengde i det soniske brønnverktøy i samsvar med endringer i oljevolum og endringer i bore-hullstempertur og -trykk. Mottakerrekken omfatter et antall hydrofonsett, idet hvert hydrofonsett omfatter minst et par og fortrinnsvis to par hydrofoner som er anordnet i et tverrsnitt av verktøyet, idet en hydrofon av et par er anordnet motsatt den andre hydrofon i paret i tverrsnittet.

US-patentsøknad serienr. 09/201,988, nå US-patent 6,082,484 til Molz & Dubinsky, som har samme assignatar som den foreliggende oppfinnelse, viser bruk av en fusjon av et vektrør som har et antall formede hulrom fylt med olje. Passasjen av en akustisk bølge setter opp resonans i fluidet i det formede hulrom. Resonansfre-kvensen avhenger av formen og størrelsen til hulrommet og egenskapene til fluidet i hulrommet. I en utførelsesform av oppfinnelsen er hulrommene sfæriske. En annen utførelsesform av oppfinnelsen bruker sylindriske hulrom med et stempel som tilbakeholdes av en fjær i hulrommet. Endring av fjærkonstanten gir ytterligere kontroll over frekvensene som svekkes. '988-søknaden viser også bruk av segmenterte isolatorer der vektrørseksjonen er fylt med et lag av et kompositt-materiale der lagene har en ulik densitet. Tykkelsen til de enkelte lag er valgt for å svekke visse frekvenser.

US-patentsøknad, serienr. 09/583,258 til Egerevetal, som har samme assignatar som den foreliggende søknad og hvis innhold det herved henvises til, viser et system for svekking av lydbølger som forplantes gjennom et vektrør i en logging-under-boring-operasjon. Systemet omfatter et antall tunge masser som er festet i vektrørets innervegg. De tunge masser utgjør masse-diskontinuiteter som svekker bølgene som forplantes gjennom vektrøret. I en utførelsesform av oppfinnelsen, er massediskontinuitetene ringer og festet utføres ved hjelp av kragestykker. Disse kragestykker strekker seg ut fra ringenes ytre omkrets og kan være en opprinnelig ytre omkrets av ringen som er blitt frest ned ved å skjære ut partier av ringen. Dette tillater betydelig mindre enn hele den ytre omkrets av de hengende ringer å være i kontakt med vektrørets innvendige overflate. Således vil ringene mer effektivt svekke vibrasjonskraften til lydpulsene som kommer i kontakt med den hengende ring. De tunge, hengende ringer er anordnet med innbyrdes avstand og dimensjonert med maksimal svekking av lydpulser i et forutbestemt område. Fortrinnsvis i området på 10 kHz til 20 kHz. Systemet kan omfatte stålringer som de tunge hengende ringer. I en alternativ utførelsesform, kan de tunge hengende ringer være et tyngre, tettere materiale så som wolfram. Det kan være så mange som ti ringer eller så få som seks, idet åtte kan være en annen mulighet. Avstanden mellom ringene kan variere mellom tolv og fjorten centimeter, avhengig av materialet som brukes. I enda en ytterligere utførelsesform, kan et rør være plassert i ringenes indre omkrets for å isolere svekningsringene fra boreslamstrømmen. Isolasjonsrøret kan imidlertid være av hvilket som helst materiale, et materiale som er ikke-stivt som mindre trolig vil lede vibrasjonskrefter foretrekkes. I en annen utførelsesform av oppfinnelsen, er massediskontinuitetene festet til vektrøret over en betydelig del av deres individuelle aksiale lengder. Et slikt arrangement virker som et lavpassfilter. Når dette mekaniske arrangement brukes med et elektrisk båndpassfilter i verktøyet, svekkes høye frekvenser effektivt. I enda en annen utførelsesform av oppfinnelsen, omfatter attenuatorseksjonen et sylindrisk legeme med seksjoner av ulike innvendige og/eller utvendige diametere for å danne et rør med ringer: hver av seksjonene av ulik diameter har et karakteristisk passbånd og et rejektbånd for svekking av signaler.

Attenuatorsystemet i følge Egerev er dyrt å fremstille og vanskelig å vedlikeholde på grunn av de mange massediskontinuiteter som inngår i vektrørets innervegg. Den eroderende strøm av borefluid i vektrørets innside kan forårsake alvorlig skade på isolatorene som ikke finnes i en innvendig hylse. Det vil være ønskelig å ha et attenuatorsystem som er mindre dyrt å fremstille og lettere å vedlikeholde.

Sammenfatning av oppfinnelsen

I et aspekt omfatter en anordning for utførelse av akustiske undersøkelser under boring av et borehull i en geologisk undergrunnsformasjon, en sammenstilling som strekker seg i lengderetningen og beveges i borehullet på en borerørinnretning. Sammenstillingen og borerørinnretningen har et borefluid som strømmer gjennom en langsgående kanal i sammenstillingen og borerørinnretningen. En akustisk sender bæres av sammenstillingen. Senderen genererer akustiske signaler i sammen-stillingen, borehullet og undergrunnsformasjonen. En akustisk mottaker er anordnet i avstand fra sender og bæres av sammenstillingen for å motta de akustiske signaler. En attenuator er plassert i sammenstillingen mellom den akustiske sender og den akustiske mottaker for svekking av de akustiske signaler i sammenstillingen i et forutbestemt sekvensområde. Attenuatoren omfatter et rørelement av et kompositt-materiale som har en hovedsakelig sylindrisk utvendig overflate. En flerhet av innbyrdes atskilte masser som har en forutbestemt innbyrdes avstand, masse og lengde, er fastfestet til den utvendige overflate.

I et annet aspekt omfatter en fremgangsmåte for utførelse av akustiske under-søkelser under boring av et borehull i en geologisk undergrunnsformasjon, bevegelse av en loggesammenstilling i borehullet på en borerørinnretning. Sammenstillingen og borerørinnretningen har et borefluid som strømmer gjennom en kanal som strekker seg i lengderetningen i sammenstillingen og borerørinnretningen. En sender aktiveres i sammenstillingen for generering av akustiske signaler i formasjonen, borehullet og sammenstillingen. Signalet som passerer gjennom sammenstillingen svekkes ved bruk av en attenator som omfatter et kompositt-rørelement som har et antall innbyrdes atskilte masser som er fast festet på en utvendig diameter-overflate på rørelementet. Massene er anordnet i forutbestemt avstand fra hverandre for å svekke signaler i et spesifisert frekvensområde. En mottaker på en side av attenuatoren motsatt senderen mottar signaler gjennom formasjonen og de svekkede signaler gjennom sammenstillingen.

Kort beskrivelse av tegningene

For detaljert forståelse av den foreliggende oppfinnelse, vises det til den følgende nærmere beskrivelse av den foretrukne utførelsesform, sett i sammenheng med de medfølgende tegninger, hvor like elementer er gitt like henvisningstall og hvor: Fig. 1 er en illustrasjon av et boresystem hvor en måle-under-boring-anordning er montert i boreanordningen; Fig. 2 viser strålebaner av akustiske signaler mellom senderen og mottakeren; Fig. 3 er en illustrasjon av et svekkingssystem for bruk på et brønn-vektrør; Fig. 4 er en grafisk illustrasjon som viser virkningene av et økt antall svekkingselementer i et system som det som er vist i fig. 1; Fig. 5 er en grafisk illustrasjon som viser virkningene av øking av svekkings-elementenes vekt i et system som vist i fig. 1; Fig. 6 er en grafisk fremstilling som viser svekkingseffekten av systemet ifølge fig. 1; Fig. 7a og 7b viser en sammenlikning av oppfinnelsen ifølge fig. 2 med én der massediskontinuitetene er festet til vektrøret over en betydelig lengde; Fig. 8a-8c viser alternative utførelsesformer av oppfinnelsen der svekkingen oppnås ved hjelp av utsparinger som frembringer massediskontinuiteter i et hus for attenuatoren; Fig. 9 viser en sammenlikning av frekvensspektra for attenuatorer som har ulike typer utsparinger med en fiksert lengde; Fig. 10 viser alternative utførelsesformer av oppfinnelsen der diameteren til attenuatorseksjonene varieres; Fig. 11 viser en alternativ foretrukket utførelsesform som anvender et arrangement av masselegemer som er festet til en ekstern vegg hos et vektrør; Fig. 12 viser et asymmetrisk arrangement for en masse-ring som er festet til en ekstern vegg hos et vektrør; Fig. 13 viser en utførelsesform som benytter et arrangement av masselegemer som er festet til en ekstern vegg hos et kompositt-rørelement; og Fig. 14 viser et asymmetrisk arrangement for en masse-ring som er festet til en ekstern vegg hos et kompositt-rørelement.

Beskrivelse av den foretrukne utførelsesform

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et system og en fremgangsmåte for svekking av akustiske bølger i et brønnverktøy som brukes til å innhente en formasjon om undergrunnsformasjoner, hvorav noen antas å inneholde hydrokarbon-avsetninger. Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon ved anvendelse av bruken av et måling-under-boring (MWD) -apparat ved boring av en brønn. Ved jordoverflaten 5 brukes en borerigg 1 til å bore et borehull 23 gjennom undergrunnsformasjoner 25a, 25b, 25c etc. Fagfolk på området vil kjenne til at boreskip eller en plattform kan brukes til å bore et borehull inn i undergrunnsformasjoner som dekkes av en vann-masse. En borerørinnretning 13, som kan bestå av borerør eller kveilrør, brukes til å rotere en borkrone 17 ved bunnen, idet borkronens rotasjonsvirkning og aksialtrykk graver ut borehullet. Når kveilrør brukes som borerørinnretningen, brukes en boremotor (ikke vist) til å gi borkronen den nødvendige rotasjonsbevegelse.

Forskjellige transdusere anvendes nedihulls i en sensorsammenstilling 11. Denne sensorsammenstilling utfører målinger av egenskaper ved formasjonene som borehullet bores gjennom. Disse kan omfatte elektromagnetiske, gammastråle, densitet, kjernemagnetisk resonans, og akustiske sensorer. Bare i illustrasjons-øyemed er det antydet en akustisk senderrekke 31 og en akustisk mottakerrekke 33. Fagfolk på området vil innse at andre konfigurasjoner av de akustiske sendere og mottakere kan brukes.

Fig. 2 viser senderen 31 og mottakeren 33 i borehullet 23. Ringrommet mellom borerørinnretningen 13 og borehullet 23 er fylt med et borefluid. Fluidet føres ned i borehullet innvendig i borerørinnretningen til borkronen og strømmer tilbake opp hullet via ringrommet. Aktivering av senderen produserer akustiske signaler. En del av signalet, betegnet med strålebanen 43, refereres til som direkteankomsten og forplantes gjennom verktøyet til mottakeren. Senderen avgir også et akustisk signal i borehullfluidet, som trenger inn i formasjonen. En del av det, vist ved strålebane 41, forplantes som en body-bølge gjennom formasjonen og bærer informasjon om formasjonen den forplantes gjennom. Mottakeren detekterer også andre signaler, så som rørbølger som innbefatter en koplet bølge mellom fluidet og formasjonen, Stoneley-bølger som er overflatebølger i fluidet, og signaler som reflekteres fra akustiske reflektorer i formasjonen.

I et MWD-verktøy, som i lineverktøy, vil body-bølgen 41 gjennom formasjonen vanligvis nå frem før rørbølgen og Stoneley-bølgen. I et MWD-verktøy vil imidlertid direkteankomsten 43 vanligvis ankomme før den ønskede signalkomponent 41 som bærer informasjon om formasjonens akustiske egenskaper. Dessuten vil selve borkronen 70 kontinuerlig generere akustiske signaler som forplantes gjennom borerør-innretningen. Følgelig blir det veldig vanskelig å bestemme en forplantningstid for for-masjonsbodybølgene 41.

For å svekke direkteankomsten 43 er en puls-attenuator 40 plassert i verk-tøyet 11 mellom senderen 31 og en mottaker 33. Bare én sender og mottaker er vist for demonstrasjon. I praksis kan det være flere mottakere og sendere og den foreliggende oppfinnelse opererer med hvilket som helst arrangement, den inneste betingelse at attenuatoren 40 er plassert mellom senderen og mottakeren.

I en utførelsesform av oppfinnelsen, er den akustiske isolator basert på en gruppering av masse-ringer som er festet til vektrørets innervegg. En slik gruppering utgjør et interferens-filter som danner et stoppbånd ved forutbestemt frekvens for longitudinale lydbølger som forplanter seg langs veggene til et vektrør. Anordningen oppviser tilstrekkelig demping innenfor det forutbestemte frekvensområde, så vel som god mekaniske styrke. Effektiviteten til en isolator av denne type øker proporsjonalt med antall ringer N så vel som med forholdet M / n, der M er massen til en enkelt ring, n er en masse pr. lengdeenhet av vektrøret. Følgelig er isolatorens effektivitet meget følsom for selv små endringer i rørets ytre dimensjoner, så vel som for endringer i kravene til dets veggtykkelse.

Svekkingen som tilveiebringes av isolatorseksjonen er konstruert til å være minus førti desibel innenfor frekvensområdet på tolv til og med atten kilohertz. Isolatorkonstruksjonen tilfredsstiller de mekaniske krav som er spesifisert med hensyn til begrensningene på innerdiameter, ytterdiameter, minimum tverrsnittsareal og andre.

Fig. 3 er en delvis illustrasjon av et svekkingssystem 50 for et andre verktøy (ikke vist) i et vektrør 52 som bruker en gruppering av hengende masse-uregelmessigheter 54, 56, 58, ... (kan omfatte opp til ti elementer) montert på innerveggen 60 til et vektrør 52. Masse-uregelmessighetene 54, 56, 58, ... er festet til innerveggen 60 ved hjelp av kragestykker 62 som rager ut fra ytre omkrets 64, 66, 68, ... av masse-uregelmessighetene, henholdsvis 54, 56, 58, ... Kragestykkene 62 er mindre både i dybde og bredde enn masse-uregelmessighetenes 54, 56, 58, ... ytre omkretser 64, 66, 68, ..., slik at masse-uregelmessighetene 54, 56, 58, ... fastholdes mot innerveggen 60, men ikke så fast at akustiske pulser som forplantes gjennom vektrøret 52 overføres uten svekking. På denne måten blir masse-uregelmessighetene 54, 56, 58 ... holdt fast men ikke stramt.

I en alternativ utførelsesform kan et innerrør 64 være anordnet for å beskytte

grupperingen av masse-uregelmessigheter 54, 56, 58, ... mot slamstrøm. Innerrøret kan være av hvilket som helst materiale for å isolere masse-uregelmessighetene 54, 56, 58, ... fra slamstrømmen, men et materiale som ikke er stivt og som har en grad av fleksibilitet foretrekkes. Et materiale som mindre trolig overfører akustiske pulser mot mottakerne er ønskelig.

Svekkingsfilterets virkemåte kan forstås ut fra følgende forklaring. Svekkings-seksjonen har en masse-uregelmessigheter eller -elementer, hvor hvert element har form av ringer eller smultringer festet til den innvendige overflate i et rør ved punktene x =Xj (hvor j = 1,... n). Koordinatenes origo faller sammen med den første uregelmessighet, dvs. xo = 0. Massen til en ring j er nrij. Avstanden mellom to nabo-elementer er: Ved x > xn, kan en innfallende longitudinal lydbølge med amplitude lik en som forplantes mot koordinatenes origo betegnes ved

hvor

k = o/c er en bølgelengdekonstant,

co = 2%1 er en vinkelfrekvens,

c = lydhastigheten.

På grunn av nærværet av en gruppering foreligger det (ved x > xn) en reflektert bølge pr<=>Vn(co)eik(x~<xn>)~<i<Bt>, hvor Vn(co) er en refleksjonskoeffisient for en gruppering av n uregelmessigheter. I den foreliggende oppfinnelse er uregelmessighetenes dimensjoner små sammenliknet med bølgelengden ved en gitt frekvens co = 2n/ k. Densiteten, p, så vel som lineær masse av et rør n er også av stor betydning ved svekkingen. I den foreliggende oppfinnelse er massen nrij meget større enn \ i hj, hvor hjer lengden av festesonen for massen nrij. En slik gruppering oppviser et inter-ferensfilter som danner et stoppbånd ved et forutbestemt frekvensområde for longitudinale lydbølger som forplantes i veggene til et rør.

I løsningen av en bølgeligning er lengden av en kontaktsone, Al, mellom en ring og en innervegg av et rør, liten sammenliknet med den aktuelle bølgelengde X. Under disse omstendigheter kan forplantningen av den longitudinale bølge beskrives ved følgende differensialligning:

hvor:

Y er rørmaterialets elastisitetsmodul,

S er rørveggens tverrsnittsareal,

u er forskyvningen,

\ x er rørets lineære masse, og

x er den longitudinale koordinat.

Ved betraktning av forplantningen av en sinusbølge, kan forskyvningen u representeres av en funksjon av formen u(x)exp(-i©t), hvor © er vinkelfrekvensen. Differensialbølgeligningen tar da følgende form: For en gruppering av N masse-uregelmessigheter, tar løsningen formen

hvor,

A er en opprinnelig bølgeamplitude,

G(x-Xj) = exp(ix. x -Xj.) / 2 y s k) er Green-funksjon, og

bj = Mj© er størrelsen av en uregelmessighet.

Følgelig kan transmisjonsfaktoren ved en posisjon x som er større enn xn finnes som: T = u(x) / A, som kan uttrykkes i desibel ved å bruke den vanlige omregningsfaktor.

Grupperingens transmisjonsfaktor kan også oppnås ved andre metoder. En slik metode er en impedanseløsning, den relative inngangsimpedans er gitt ved formelen:

hvor:

p = trykk,

c = lydhastighet i mediet,

v = vibrasjonshastighet, og

p = densitet.

For en gruppering av N elementer, beregnes impedansen ved hjelp av følgende rekursjonsprosedyre:

Fig. 4 og 5 viser plott av transmisjon som funksjon av frekvens. Innvirkningen av antallet elementer er vist i fig. 4. Transmisjonskurver er vist for seks elementer, åtte elementer og ti elementer. Økingen i antall elementer endrer bare i noen grad transmisjonskurven ved grensene til det forutbestemte frekvensbånd. Imidlertid vil

svekkingsverdiene for transmisjonskurvene i midten av frekvensbåndet påvirkes i stor grad. Perioden til en gruppering 1 er viktig å for å passerere transmisjonskruvene ved den riktige frekvens. I den foretrukne utførelsesform er en optimal verdi for avstanden mellom elementer 5,12 tommer eller tilnærmet tretten cm for den inner- og ytterdiameter som brukes. Imidlertid kan også andre avstander så som fjorten eller tolv cm også brukes og gi akseptable resultater. Innvirkningen av massen til et enkelt element er vist i fig. 5.

Fig. 4 viser svekningskurver for grupperinger på ti elementer. Hver kurve er for elementer med ulik vekt. En første kurve er for ti elementer, som hver veier åtte kilogram, den andre for elementer som veier 11 kilogram og en tredje for elementer som veier 14 kilogram. En øking i massen M resulterer i endring av den nedre frekvensgrense. Den høye frekvensgrense forblir hovedsakelig uendret. Alle transmisjonskurvene viser at transmisjonstap overskrider førti desibel i det forutbestemte frekvensbånd mellom tolv og atten kilohertz.

Beregningene ble utført for en gruppering på N identiske uregelmessigheter med lik innbyrdes avstand. Transmisjonsfaktoren ble beregnet i forhold til frekvens innen frekvensområdet fra fem til tjue kilohertz.

Fig. 6 er en grafisk angivelse av svekkingen av en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse. I den foretrukne utførelsesform ble ti elementer brukt med en avstand på tretten cm mellom elementene. Ringer av syrefast stål ble brukt som masse-uregelmessigheter 54, 56, 58 ... Det fremgår at arrangementet av den foretrukne utførelsesform gir svekking av bølger i området på åtte til atten kilohertz. Ved å bruke dette system, kan interferens av bølger som forplantes gjennom vektrøret til et boreverktøy sterkt reduseres og akustisk logging blir mulig under en boreoperasjon. Fig. 7a og 7b viser en sammenlikning mellom den ovenfor omtalte utførelses-form med hensyn til fig. 2 og en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen som bruker et annet arrangement for å feste masse-uregelmessighetene til vektrøret. I den øvre del av fig. 7a er det vist et vektrør 152a som en masse 154a er festet til ved hjelp av en krage 158a. Dette svarer til det ovenfor beskrevne arrangement med henvisning til fig. 2. I den øvre del av fig. 7b er det vist et alternativt arrangement hvor en masse 154b er festet til vektrøret 152b over hovedsakelig massen fulle lengde. I den nedre del av fig. 7a er der vist en skjematisk fremstilling av den effektive masse-diskontinuitet 170a som sett av en propagerende bølge: typisk, gir en slik masse-diskontinuitet ca. 6 til 8 dB svekning av bølgen. Den nedre del av fig. 7b viser den effektive masse-diskontinuitet 170b som sett av en propagerende bølge: effektivt er det tilveiebrakt en svekking på 2-3 dB av svekking ved hver grense. Ved en analyse som ovenfor omtalt med hensyn til ligninger 1-4, er arrangementet ifølge fig. 7b vist å virke som et lavpassfilter. Ved passende valg av vektenes størrelse og innbyrdes avstand, kan den effektive grensefrekvens bringes til å ligge rundt 10 kHz. Når de brukes i kombinasjon med et elektrisk båndpassfilter (ikke vist) på verktøyet, kan bodybølgene gjennom vektrøret effektivt svekkes. Fig. 8a-8c viser alternative utførelsesformer av oppfinnelsen, der isolatoren omfatter et maskineri sylindrisk element. I fig. 8a har det sylindriske element en ytterdiameter på OD og en innerdiameter på ID. Innerdiameteren tillater gjennom-strømming av boreslam. Den innvendige vegg til det sylindriske element har en utsparing av lengde L. En body-bølge møter områder med ulike tverrsnittsareal og massedensiteter, lik de ovenfor omtalte utførelsesformer, hvilket gir svekking av body-bølger. Fig. 8b viser et arrangement der utsparingen er på utsiden av isolatorveggen. Fig. 8c viser et arrangement hvor det er utsparinger både på utsiden og innsiden av isolatoren. Fig. 9 viser resultatene av en finite-element ("FE") -simulering av de ulike utførelsesformer vist i fig. 8a-8c. Abscissen er frekvensen og ordinaten er den norma-liserte amplituden til bølger som har passert gjennom attenuatoren. Bemerk at amplitudeskalaen er lineær istedenfor å være i desibel. Kurven 301 viser spekteret for et sylindrisk rør. Kurven 303 viser spekteret for et sylindrisk rør. Kurven 303 viser spekteret for innsnitt på rørets innside, 305 er for utsparinger på innsiden og utsiden av røret mens 307 er for utsparinger på utsiden av røret. Like FE-simuleringer er utført for forskjellige lengder L av utsparingene. Basert på disse simuleringer, for en OD på 7,09", i en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, blir en verdi av L på 3,15" (8,5 cm) med utsparinger både på innsiden og utsiden av isolatoren brukt.

Resultatene i fig. 9 gjelder et antall utsparinger med lik innbyrdes avstand og samme lengde og dybde. Andre utførelsesformer av oppfinnelsen bruker en kombinasjon av seksjoner som har ulike lengder og ulike dybder av innvendige og utvendige utsparinger. Eksempler er vist i fig. 10. Hver seksjon 400 kan betraktes som en bølgeføring med et tilknyttet passbånd og et stoppbånd bestemt av innerdiameteren 403 og ytterdiameteren 401. Som det fremgår av fig. 10, har hver seksjon en akse parallell med lengdeaksen 405 til attenuatorhuset. Ved å bruke en slik kombinasjon av ulike inner- og ytterdiametere, kan et bredt frekvensområde svekkes. Denne svekking er i tillegg til svekkingen som frembringes ved refleksjoner mellom naboseksjoner 400. I nærvær av borehullsfluid på innsiden og utsiden av seksjonene, er bølgeføringene "utette" bølgeføringer som tillater energi å propagere inn i fluidet. I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, er innerdiameterene i området fra 2" til 6" og ytterdiameterene i området fra 4" til 10".

Fig. 11 og 12 viser en alternativ, foretrukket utførelsesform som bruker et arrangement av masselegemer som er festet til en utvendig vegg på et vektrør. Effektene er de samme som de som ovenfor er omtalt i forbindelse med fig. 7a og 7b, men det eksterne arrangement gir fordeler i form av enklere og billigere fremstilling og enklere vedlikehold enn masser som er forbundet med vektrørets innvendige vegg som tidligere beskrevet. Massediskontinuitetene vist i fig .11 og 12 er hovedsakelig sylindriske ringer. Ringene kan være laget av stål eller alternativt av et material med en høyere densitet, så som wolfram. I fig. 11 har masseringene 505a og 505b en innvendig diameter 501 som er større enn vektrørets 504 utvendige diameter 503 og er festet til vektrøret 504 ved hjelp av krager, henholdsvis 506a og 506b. Som med masse-diskontiuiteten, tidligere beskrevet i fig. 7a, gir en slik masse-diskontinuitet, som vist i fig. 11, en svekking på omtrent 6-8 dB av en direkte akustisk bølge som forplantes i vektrøret 504. For enkelhet skyld er bare to ringer vist i hver av fig. 11 og fig. 12, men antallet ringer vil typisk være mellom 6 og 10 med en innbyrdes avstand på mellom omtrent 12 og 14 cm for et aktuelt frekvensområde på 10 kHz til 20 kHz. Bemerk at dette området tjener som eksempel og at andre frekvensområder kan filtreres ved passende valg av massestørrelse, antall og innbyrdes avstand som ovenfor beskrevet. En fordel med det eksterne arrangement kan realiseres fordi svekking er relatert til massen av hver ring 506a, 506b, delt på massen pr. lengdeenhet av vektrøret, som tidligere omtalt. F.eks. kan de eksterne ringer 506a, 506b, for samme innbyrdes avstand og lengde av ringene som beskrevet i fig. 7a, ha en mindre tykkelse t på grunn av d<2->effekten på ringvolum. Fordi ringene 506a, 506b er ved en større diameter enn den innvendige ring beskrevet i fig. 7a, vil ringene 506a, 506b, hvis lengden av ringene er den samme, være tynnere for å ha den samme masse for det samme materiale. Alternativt, hvis ringtykkelsen t og lengden opprettholdes som før, så vil ringenes 506a, 506b masse være større enn massen til ringen ifølge fig. 7a. Den økte masse vil føre til økt svekking for konfigurasjonen ifølge fig. 11 sammenliknet med konfigurasjonen ifølge fig. 7a.

Fig. 12 viser et asymmetrisk arrangement for en massering som er festet til et vektrør. Eksempelvise masseringer 605a, 605b er koplet til vektrør 604 ved skulder 607 som har en hevet diameter 606. Massene 605a, 605b ligger an mot vektrøret over et parti K av massenes 605a, 605b lengde L, slik at massene er understøttet over en del av sin lengde og utkraget for en del av sin lengde. Massene kan være festet ved hjelp av sveising, lodding, presspasning, krympepasning eller annen egnet teknikk. Eksempelvis kan antallet masser og massenes innbyrdes avstand være hovedsakelig den sammen som for de som er beskrevet for fig. 11. Den akustiske kilde er lokalisert i retningen til den understøttede del av massene 605a, 605b, typisk en oppihullsretning, som vist i fig. 12. Når akustiske bølger fra kilden forplantes mot mottakeren, eller nedihulls, møter de en geometri som tillater den akustiske bølge å trenge inn i massene 605a, 605b og bli hovedsakelig oppfanget i den utkragede seksjon. Bølger som forplantes i motsatt retning møter ikke den samme geometri, men ser hovedsakelig bare massene 605a, 605b understøttede seksjon og blir ikke svekket så meget som bølger som forplantes nedover. Arrangementet, vist i fig. 12, foretrekkes for en boreoperasjon fordi det gir økt understøttelsesareal for massene sammenliknet med det ifølge fig. 11, og gir derved økt stabilitet for massene når de utsettes for de betydelige veggkrefter som inngår i nedihullsboring. Det utvendige arrangement av massene ifølge fig. 11 og fig. 12, gir forbedret rensing, inspeksjon og vedlikehold sammenliknet med det innvendige massearrangement som tidligere beskrevet. Selv om massene, vist i fig. 11 og fig. 12, har skarpe hjørner, kan hjørnene avrundes for å redusere spenning og/eller forenkle fremstilling. Slike teknikker er kjent innen faget og ikke ytterligere beskrevet.

En annen utførelsesform, ifølge fig. 13 og 14, viser konfigurasjoner hovedsakelig av samme konfigurasjon som de ifølge fig. 11 og 12. Her er imidlertid rør-elementet 704 og 804 et kompositt-materiale som masse-ringer 705 og 805 er festet til. Som en fagmann på området vil innse ut fra den tidligere analyse, er svekkingen relatert til forholdet mellom masse-ringens densitet og rørdelens densitet. Ved å bruke et lett materiale i forhold til det vanlig brukte stål i nedihullsrør, kan derfor et større densitetsforhold mellom svekkingsringene og røret realiseres, hvilket resulterer i bedre svekking. Borefluid 710 og 810 strømmer gjennom rørelementenes, henholdsvis 704 og 804, innvendige kanal 711, 811. Kompositt-materialet som benyttes kan omfatte grafittfibere, aramidfibere, glassfiber eller hvilket som helst annet egnet materiale. Slike materialer er kjent og er kommersielt tilgjengelige fra mange forskjellige kilder. Mange lag kan benyttes. Mange metoder, kjent innen faget, er blitt foreslått for orientering og tykkelse av ulike typer av kompositt-materialer for bruk i nedihullsrør. Passende harpikser kan brukes i og mellom lagene. Med sikte på denne oppfinnelse, kan hvilket som helst kompositt-rør anvendes, flerlags eller ikke. Massen 705, tilknyttet rørelement 704, og massen 805, tilknyttet rørelementet 804, kan være av samme kompositt-materiale som for rørelementene. Alternativt kan massene 705 og 805 ha større densitet enn rørelementene 704 og 804, så som f.eks. stål og/eller wolfram. Antall elementer og deres innbyrdes avstand er den samme som tidligere beskrevet.

Selv om det er vist og beskrevet en spesiell utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, vil det forstås at fagfolk på området vil innse tallrike endringer og modifikasjoner, og der er meningen å dekke alle disse endringer og modifikasjoner av den foreliggende oppfinnelse.

Claims (16)

1. Anordning for utførelse av akustiske undersøkelser under boring av et borehull i en geologisk undergrunnsformasjon, omfattende: a. en sammenstilling som strekker seg i lengderetningen og beveges i borehullet på en borerørinnretning, sammenstillingen og borerørinnretningen har et borefluid som strømmer gjennom en langsgående kanal i sammenstillingen og borerør-innretningen; b. en akustisk sender som bæres av sammenstillingen, idet senderen genererer akustiske signaler i sammenstillingen, borehullet og undergrunnsformasjonen; c. en akustisk mottaker anordnet i avstand fra senderen og båret av senderen for mottak av de akustiske signaler; og karakterisert ved: d. en attenuator anordnet i sammenstillingen mellom den akustiske sender og den akustiske mottaker for demping av de akustiske signaler i sammenstillingen innenfor et forutbestemt frekvensområde, hvor attenuatoren omfatter et rørelement av et kompositt-materiale som har en hovedsakelig sylindrisk, utvendig overflate, idet det til den utvendige overflate er festet en flerhet av innbyrdes atskilte masser som har en forutbestemt innbyrdes avstand, masse og lengde.

2. Anordning ifølge krav 1, hvor det til borerørinnretningen er festet en borkrone for boring av borehullet, idet borerørinnretningen er valgt fra gruppen bestående av (i) en borestreng, og (ii) tverrør.

3. Anordning ifølge krav 1, hvor flerheten av innbyrdes atskilte masser svekker et forutbestemt frekvensområde omfattende 10 kHz til 20 kHz.

4. Anordning ifølge krav 1, hvor flerheten av innbyrdes atskilte masser omfatter et materiale valgt fra gruppen bestående av (i) stålringer og (ii) wolframringer.

5. Anordning ifølge krav 1, hvor flerheten av innbyrdes atskilte masser omfatter ikke mindre enn seks og ikke mer enn ti masser.

6. Anordning ifølge krav 1, hvor massenes innbyrdes avstand er innenfor området på tolv til fjorten cm.

7. Anordning ifølge krav 1, hvor hver av flerheten av masser omfatter en ring som har en innvendig diameter som er større enn en utvendig diameter av rør-elementet med en forutbestemt verdi, og som videre omfatter et krageelement som er tilknyttet hver av ringene og som fester hver av ringene fast til rørelementets utvendige overflate.

8. Anordning ifølge krav 1, hvor flerheten av innbyrdes atskilte masser omfatter et materiale som har en densitet som ikke er mindre enn densiteten til rørelementet.

9. Fremgangsmåte for utførelse av akustiske undersøkelser under boring av et borehull i en geologisk undergrunnsformasjon, som omfatter trinn med å: a. bevege en loggesammenstilling i borehullet på en borerørinnretning, idet sammenstillingen og borerørinnretningen har et borefluid som strømmer gjennom en langsgående kanal i sammenstillingen og borerørinnretningen; b. aktivere en sender i sammenstillingen for generering av akustiske signaler i formasjonen, borehullet og sammenstillingen; og karakterisert vedfølgende trinn med å: c. svekke signaler som passerer gjennom sammenstillingen ved bruk av en attenuator som omfatter et kompositt-rørelement som har en flerhet av innbyrdes atskilte masser fast festet på en utvendig diameteroverflate av rørelementet, idet massene er atskilt med en forutvalgt avstand for å svekke signaler innenfor et spesifisert frekvensområde; d. bruke en mottaker på en side av attenuatoren motsatt senderen for å motta signaler gjennom formasjonen og de svekkede signaler gjennom sammenstillingen.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor det spesifiserte frekvensområdet omfatter 10 kHz til 20 kHz.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor flerheten av masser omfatter et materiale valgt fra (i) stålringer og (ii) wolframringer.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor det er festet en borkrone til borerør-innretningen for boring av borehullet, idet borerørinnretningen er valgt fra gruppen bestående av (i) en borestreng, og, (ii) kveilrør.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor massenes materiale omfatter et materiale som har en densitet som ikke er mindre enn en densitet hos rørelementet.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor flerheten av masser er mellom seks og ti.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor avstanden mellom massene er innenfor et område på tolv til fjorten centimeter.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 9, hvor hver av flerhetene av masser omfatter en ring som har en innvendig diameter som er større enn en utvendig diameter av rør-elementet med en forutbestemt verdi, og videre omfatter et krageelement som er tilknyttet hver av ringene og fast fester hver av ringene til rørelementets utvendige overflate.