NO341171B1 - Verktøy og fremgangsmåte for logging under boring ved bruk av akustisk sender med piezoelektriske skiver - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår systemer for å måle en akustisk egenskap av et materiale som penetreres av et brønnhull. Især angår oppfinnelsen forbedrede akustiske sendere for bruk med akustiske logge-under-bore (LWD) eller måle-under-bore (MWD) borehullssammenstillinger.

Akustiske loggesystemer blir rutinemessig brukt i olje- og gassindustrien for å måle formasjonsakustiske egenskaper av jordformasjonen som penetreres av et brønnborehull. Disse egenskapene omfatter en kompresjons- og skjærhastigheter av formasjonen som deretter blir brukt for å bestemme en rekke formasjonsparametere av interesse, for eksempel porøsitet og poretrykk. I tillegg blir akustiske loggesystemer brukt for å produsere akustiske bilder av borehullet, hvorfra brønnforhold og andre geologiske trekk kan undersøkes. Andre anvendelser av akustiske loggemålinger omfatter seismisk korrelering og fjellmekaniske bestemmelser.

Brønninstrumentet eller borehullsverktøyet av et akustisk loggesystem omfatter typisk én eller flere kilder av akustisk trykk eller sendere, og én eller flere akustiske mottagere. Senderne og mottakerne blir typisk anbragt aksialt på verktøylegemet. Flere sendere og/eller mottagere kan også anbringes i forskjellige radiale posisjoner rundt verktøyet. En del av energien sendt av én eller flere sendere propagerer gjennom formasjonsmaterialet som omslutter borehullet og blir etter hvert påvist av de én eller flere mottagere. Mottagerresponsen blir deretter brukt for å bestemme egenskaper og parametere av interesse.

Frekvensen som brukes ved monopolakustiske LWD-verktøy er typisk i størrelsesorden 5 til 20 kiloHertz (KHz). For å forbedre nøyaktigheten av den målte akustiske informasjon, er det ønskelig å utplassere én eller flere sendere som har høyest akustisk trykkapasitet ved den ønskede utgangsfrekvens.

Logge-under-boring (LWD) og måle-under-boring (MWD) verktøy har flere begrensninger som påvirker energien og frekvensen fra en monopolakustisk sender som er anbragt innenfor verktøyets vegg og som virker ved en ønsket frekvens. Noen av disse begrensninger er omtalt kort i de følgende avsnitt.

Hvis senderen omfatter piezoelektriske transducere, blir det akustiske trykk fra en akustisk sender proporsjonal med dimensjonene og konfigurasjonen av senderen. For å maksimere mengden av energi som når borehullsmiljøet og minimere propagering av akustisk energi langs verktøyet, er det foretrukket å anbringe senderen så nær som mulig til verktøyets ytre periferi. Det er følgelig ønskelig å anbringe senderen innenfor en fordypnings "port" eller "lomme" i ytterflaten av verktøyhusets vegg. Et hus for et LWD-verktøy er typisk en borkrage. Av strukturstyrkeårsaker er det nødvendig å begrense den radiale dybde og asimutbredde av en fordypning til et minimum. Den aksiale lengde av en fordypning til et minimum. Den aksiale lengde av en fordypning blir ikke så tett innskrenket utfra en strukturstyrke. Disse dimensjonale begrensninger av fordypningen styrer følgelig de maksimale radiale-, asimut- og aksiale dimensjoner av en sender som kan anbringes innenfor veggen av et LWD- verktøy. Disse begrensninger vil i sin tid påvirke det akustiske trykk og frekvenskapasiteten fra senderen.

Frekvenskapasiteten og den akustiske energikapasitet fra et piezoelektrisk element er begge en funksjon av geometrien og dimensjonene av det piezoelektriske element. Det er ofte vanskelig å oppnå en tilstrekkelig energi ved den ønskede frekvens fra en sender som består av et piezoelektrisk element. Videre vil plassen som kreves for å feste, tette og mekanisk og elektrisk isolere en sender i veggen av et loggeverktøy av hvilken som helst type medføre begrensende faktorer til senderens dimensjoner og følgelig senderens kapasitet. I tillegg må senderen dekkes for å beskytte den mot mekanisk skade under boreoperasjoner som omfatter håndtering, boring og tripping av borestrengen.

Oppsummert, må en piezoelektrisk sender dimensjoneres og elektrisk konfigureres for å virke i et verktøy under vanskelige borehullsforhold. Strukturen som kreves for operativt å anbringe senderen innenfor verktøyets vegg (for eksempel en borkrage) medfører ekstra senderdimensjonale begrensninger som i sin tur påvirker energien og frekvensen fra senderen.

Transdusere, sendere og liknende og beslektede fremgangsmåter for logging eller måling av brønnhull ved hjelp av lyd er beskrevet i publikasjonene US5387767 A, US 5030873 A, US 5265067 A og INOUE, T. et al "Low-Frequency Flextensional Piezoelectric Transmitter with Displacement Amplifier". 14-16 Oet 1987, IEEE Ultrasonics Symposium.

I betraktning av ovennevnte er det et behov for monopolsender med optimert akustisk trykkeffekt og med en utgangsfrekvens som er optimert for å falle innenfor et ønsket frekvensområde og med en fysisk konfigurasjon som egner seg for å oppfylle de strukturelle begrensninger i LWD- og MWD-loggesystemer.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en LWD loggeverktøys akustisk sender, kjennetegnet ved trekkene som er angitt i patentkrav 1.

Trekk ved utførelser av foreliggende oppfinnelses sender ifølge patentkrav 1 er angitt i patentkravene 2-7.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for å sende trykkpulser i et borehull fra et LWD loggeverktøy, kjennetegnet ved trekkene som er angitt i patentkrav 8.

Trekk ved utførelser av foreliggende oppfinnelses fremgangsmåte for å sende trykkpulser i et borehull ifølge patentkrav 8 er angitt i patentkravene 9-14.

Oppfinnelsen er en monopolakustisk sender som omfatter flere piezoelektriske skiver. Mer spesifikt omfatter senderen en stablet skivesammenstilling som omfatter flere tynne piezoelektriske skiver, hvert med et hull i midten. Skivene holdes sammen under en konstant sammentrykkende kraft av et klemapparat, for eksempel en bolt som er ført gjennom hullet i hver skive og som avsluttes i hver ende av henholdsvis en første og andre endehette. Skivene blir elektrisk sammenkoblet ved å bruke enten ledende epoxy eller kobberskims mellom hovedflaten av nærliggende skiver. Polaritet og elektrisk kobling av skivesammenstillingen er slik at alle skivene ekspanderer eller trekker seg sammen samtidig etter påføring av en spenning til skivesammenstillingen. Endehetter av forskjellige materialer er installert i hver ende av stabelen for å regulere trykkeffekten og frekvensen fra senderen.

Senderen blir anbragt på loggeverktøy husets perimeter for å redusere akustiske trykkbølger som overføres direkte langs verktøyhuset og optimere akustisk energioverføring til borehullsmiljøet. Akustisk energi som propagerer fra senderen og direkte langs loggeverktøyhuset kalles typisk "verktøymodussignal". Brukt som et LWD-akustisk loggesystem, er loggeverktøyhuset typisk en krage av et stålbor. Anbringelse av den akustiske sender innenfor veggen av borkragen påvirker ikke borefluidstrømmen gjennom det indre av borkragen.

Senderen kan anbringes med hovedaksen av senderen enten aksialt (parallelt med) eller radialt (vinkelrett på) hovedaksen av borkragen innenfor en fordypningsport eller-lomme i ytterflaten av verktøyhuset. Hvis senderen anbringes aksialt i verktøyhuset, blir et fleks-strekkelement installert for å overføre energien fra den aksiale til den radiale retning. Hvis senderen anbringes radialt i borkragen, blir trykket fra senderen langs senderaksen, men radialt i forhold til hovedaksen av borkragen. Den radiale anbringelse er den foretrukne utførelse. Endehettene festet til de to endene av senderen kan konfigureres for å oppfylle de tidligere nevnte strukturelle begrensninger av den aksiale dybde og asimutbredden av fordypningen og samtidig oppnå den egnede virkning ved den ønskede frekvens. En annen senderkonfigurasjon består av to stabler av skiver som aksialt er tilpasset, men radialt anbragt i avstand fra hverandre og sammenkoblet med en bueformet masse. De to skivesammenstillinger omfatter første og andre endehetter som kan konfigureres for å regulere frekvens, effekt og signalretningen.

Den stablede, piezoelektriske skiveakustiske sender virker som et fjærmassesystem. Frekvensen av skivesammenstillingen er for en stor del funksjon av lengden av skivesammenstillingen og massen av endehetten er festet ved endene. Lengden av skivesammenstillingen kan justeres innenfor rimelige grenser så lenge den totale lengde ikke medfører alvorlige problemer for verktøyhuset. Den akustiske effekt fra skivesammenstillingen er en funksjon av antall skiver som omfatter skivesammenstillingen, tykkelsen og diameteren av skivene og kraften som tilføres mot stabelen. Videre kan utgangsfrekvensen og retningen av den akustiske effekt justeres ved å variere massen og geometrien av første og andre endehettemasse. Ved å maksimere utgangstrykket ved en ønsket frekvens, kan en skivesammenstilling konfigureres for å maksimere presisjonen av de målte akustiske parametere av interesse.

Skivesammenstillingen blir anbragt i et trykkompensert hus som er fylt med olje for derved å danne sendeelementet for en monopolakustisk sender som egner seg for borehullsanvendelser.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der: Fig. 1 viser oppfinnelsen brukt som et LWD-akustisk system anbragt i et borehulls boremiljø,

Fig. 2 er et snittriss av en skivesammenstilling som omfatter flere skiver,

Fig. 3 er et perspektivriss av en enkelt, piezoelektrisk skive,

Fig. 4 viser i detalj polariseringen og den elektriske sammenkobling av skivene i en skivesammenstilling, Fig. 5 er et snittriss av et loggeverktøys senderdel og viser en enkelt sender som omfatter en enkelt skivesammenstilling som er anbragt radialt i verktøyets vegg, Fig. 6 er et snittriss ved A-A av senderdelen som omfatter en enkelt skivesammenstilling og vist på fig. 5, Fig. 7 er et snittriss av loggeverktøyets senderdel og viser en enkelt sender som omfatter en dobbel skivesammenstilling anbragt radialt i verktøydelveggen og forbundet via en bueformet frontmasse, Fig. 8 er et snittriss ved A-A av senderdelen som omfatter den doble skivesammenstilling og som vist på fig. 7, Fig. 9 viser den aksiale tenkte intensitetsfordeling av trykksignalet fra de akustiske sendere som omfatter både enkle og doble skivesammenstillinger, Fig. 10 er et snittriss av et loggeverktøys senderdel og viser en enkelt sender som omfatter en enkelt skivesammenstilling anbragt aksialt innenfor verktøyseksjonens vegg, Fig. 11 er et snittriss ved A-A av senderdelen og omfatter en enkelt skivesammenstilling og som er vist på fig. 10, Fig. 12 viser den tenkte aksiale intensitetsfordeling av trykkutgangssignalet fra den enkle skivesammenstillingssender vist på fig. 10 og 11, og Fig. 13 er et snittriss av senderdelen som omfatter doble aksialt anbragte akustiske sendere som ikke er akustisk koblet.

Et akustisk LWD-loggeverktøy omfatter typisk én eller flere akustiske sendere og én eller flere akustiske mottagere.

Fig. 1 viser en enkelt akustisk sender brukt som et LWD akustisk system anbragt i et borehullsmiljø. LWD borehullsinstrumentet eller "verktøy"-komponenten av borehullssammenstillingen er benevnt som helhet med nr. 10 og omfatter et verktøytrykkhus 11 som typisk er en borkrage. Verktøyet 10 er anbragt i et brønnborehull 44 definert av borehullsveggene 43 og gjennomtrengende jordformasjon 34. En borkrone 12 avsluttes i den nedre ende av verktøyet 10 og en kobling 30 avsluttes ved en øvre ende av verktøyet. Tilkoblingen 30 kobler operativt verktøyet 10 til en nedre ende av borstrengen 32. Den øvre ende av borstrengen avsluttes ved en dreiende borerigg 36 på kjent måte og er vist tenkt ved 36.

På fig. 1 omfatter verktøyet 10 en senderdel 16 og en mottakerdel 20. Den akustiske isolasjonsdelen 18 som minsker verktøyets modussignal, separerer senderdelen 16 fra mottagerdelen 20. Mottagerdelen 20 omfatter flere mottagere 22 aksialt i avstand fra senderdelen 16. Seks mottagere er vist, selv om flere eller færre mottagere kan brukes. Mottagerne 22 er også aksialt tilpasset selv om den aksiale til pasning ikke er nødvendig som omtalt i et senere avsnitt av beskrivelsen.

På fig. 1 kan verktøyet 10 omfatte andre elementer som kan brukes for å komplettere målingene foretatt med den akustiske senderdel 16 og mottagerdelen 20.1 utførelsen vist på fig. 1 omfatter verktøyet en eventuell retningsdel 24 som gir en sanntidsmål av asimutvinkelen og følgelig levere asimutretningen for verktøyet 10 innenfor borehullet 44. Verktøyet 10 kan eventuelt omfatte en hjelpefølerdel 14 med en eller flere hjelpefølere som svarer på en rekke parametere om borehullsmiljøet. Det vil fremgå at bruken av den monopole akustiske sender beskrevet her ikke krever målinger fra retningsdelen 24 eller fra hjelpefølerdelen 14.

På fig. 1 leverer en elektronisk del 26 effekt- og styrekrets for den akustiske senderdel 16, mottagerdelen 20, den eventuelle retningsdel 24 og eventuelle hjelpefølere i hjelpefølerdelen 14. Effekt blir typisk levert av batterier, men kan leveres av en slamdrevet turbingenerator (ikke vist). Elektronikkdelen 26 er operativt koblet til en telemetrienhet 28 nede i brønnen. Data fra elementene i verktøyet 10, enten behandlet nede i brønnen som parametere eller i form av "råe" data, blir telemetrert til overflaten 46 av jorden ved hjelp av et passende telemetrisystem. Et passende telemetrisystem omfatter et slampulssystem og elektromagnetisk telemetrisystem eller et akustisk telemetrisystem som bruker borestrengen 32 som dataledningsrør. Telemetrerte data blir mottatt av et telemetrielement opp i hullet (ikke vist) fortrinnsvis anbragt i en overflateutstyrsmodul. Ettersom borehullsammenstillingen med loggeverktøyet 10 blir sendt langs borehullet 44 av borestrengen 32, blir én eller flere parametere av interesse eller alternativt rådata sendt til registreringsenhet 40. Registreringsenheten 40 tabulerer dataene som funksjon av dybde i borehullet 44 ved hvilken de blir målt. Registreringsenhetens utgang 42 er typisk en "logg" av dataene som funksjon av borehullsdybden. Dataene kan alternativt registreres i et prosessminne ned i brønnen (ikke vist) og deretter lastes ned til overflateutstyrsmodulen 38 når verktøyet 10 blir ført tilbake til overflaten 46 under eller etter at boreoperasjonen er fullført. De nedlastede data blir typisk behandlet videre i overflateutstyrsmodulen 38 for å hente tilleggsparametere av interesse som ikke kan bestemmes i behandlingsenheten nede i brønnen.

Som nevnt tidligere er verktøyhuset 11 typisk en borkrage av stål med et ledningsrør som borefluidet strømmer gjennom. Elementer av verktøyet 10 vist tenkt på fig. 1 er typisk anbragt i veggen av borkragens trykkhus 11.

Den eller de monopolakustiske sendere beskrevet her omfatter en skivesammenstilling som omfatter flere eller "stablede" piezoelektriske skiveelementer. Trykk fra skivesammenstillingen er større enn trykket fra en enkelt skive som omfatter sammenstillingen. Dimensjonene av de enkelte skiver, skivesammenstillingen og endehetter som samvirker med stabelen av skiver, blir justert for å oppnå en maksimal akustisk trykkeffekt ved en frekvens som egner seg for akustisk logging. Disse dimensjonene må imidlertid oppfylle en strukturell styrke- og andre miljøkrav i forbindelse med borehullets akustiske loggeutstyr. Fig. 2 er et snitt av skivesammenstillingen 51 som omfatter flere skiver 50. Fortrinnsvis omfatter 10 til 20 skiver 50 skivesammenstillingen 51. Antallet skiver som kan brukes bestemmes delvis av sammenstillingens utførelse som beskrevet i de etterfølgende avsnitt. Sammenstillingen holdes sammen under en konstant sammentrykkende kraft ved hjelp av en klemmekanisme som omfatter en stang 54, for eksempel en metallbolt som er ført gjennom et hull i hver skive (se fig. 3). Stangen 54 er elektrisk isolert fra skiven og det elektrisk ledende materialet som separerer skiven. Endene av stangen 54 avsluttes av en første masseendehette 52a og en andre masseendehette 52b. Lengden av skivesammenstillingen 51 er benevnt ved 55. Fig. 3 er et perspektivriss A-A av skivesammenstillingen 51 vist i snitt i fig. 2. Den utvendige diameter av skiven 50 er vist ved 56a. Skiven har et senterhull med innvendig diameter 56b. Tykkelsen av skiven er vist ved 56c. Stangen 54 er ført gjennom og passer fortrinnsvis nøye i hullet i midten av skiven. Det skal bemerkes at normalen på den viste skiveflaten 56g er parallell med aksen av stangen 54. Per definisjon er hovedaksen av sammenstillingen 51 sammenfallende med hovedaksen av stangen 54.

Det finnes alternative teknikker for å tilføre klemkraft til skiveelementene av skivesammenstillingen. Som et eksempel omfatter en alternativ klemmekanisme et sylindrisk hus i hvilket flere hule eller faste skiver er anbragt. En gjenget ring blir deretter brukt for å tilføre tilsvarende klemkraft til skivesammenstillingen. Det skal bemerkes at andre klemmekanismer kan brukes for å tilføre klemkraft til skivesammenstillingen.

På fig. 2 og 3 er den akustiske effekt fra skivesammenstillingen 51 funksjon av lengden 55, antall skiver 50 som omfatter skivesammenstillingen, diameteren 56a og tykkelsen 56c av skivene og kraften tilført stabelen av stangen 54 som samvirker med endehettene 52a og 52b. Videre, kan utgangsfrekvensen og retningen av den akustiske utgangseffekt justeres ved å variere massen og geometrien av første og andre endehetter 52a og 52b. Som eksempel, kan kraften og endeplatemassene velges slik at skivesammenstillingen med lengde på 7,62 cm omfattende 10 skiver med diameter 2,54 cm gi en monopolfrekvensutgang i området 10 til 12 KHz ved 2 til 3 kiloPascal ( kPa) ved 1,0 meter og en inngangsspenning på 1000 volt. Disse utgangsparametere er ønskelig for akustisk logging.

Fig. 4 viser mer detaljert en del av skivesammenstillingen 51 og viser polariseringen og den elektriske oppkobling av skivesammenstillingen. Skivene 50 er elektrisk koblet ved å bruke enten ledende epoxy eller kobberskiver 60 mellom hovedflatene 56d (se fig. 3) av hver nærliggende skive. Polariseringene av de enkelte skiver 50 er vist med "+" og "-". Elektriske forbindelser til skivesammenstillingen 51 er slik at alle skivene 50 kan ekspandere eller trekke seg sammen samtidig etter å ha blitt tilført en spenning til sammenstillingen 51. Som et eksempel, vil en positiv spenning tilført den elektriske buss 61 ekspandere sammenstillingen i den aksiale retning mens en negativ spenning tilført den elektriske bussen 62 ved å trekke sammen sammenstillingen i den aksiale retning som vist tenkt ved pilen 63.

Radiale senderkonifgurasioner

Fig. 5 er et snitt av sendedelen 16 (se fig. 1) og viser en akustisk monopolsender 151 anbragt radialt deri. Senderen 151 omfatter en skivesammenstilling 51 av typen vist på fig. 2-4. Skivesammenstillingen 51 er rommet i et trykkhus 72 som fortrinnsvis er fylt med olje og er trykk- og temperaturbalansert. Per definisjon sammenfaller hovedaksen av senderen 151 med hovedaksen av skivesammenstillingen 51. senderen 151 med skivesammenstillingen 51 og trykkhuset 72 er anbragt i en fordypning eller vesentlig sylindrisk "slisse" (definert av overflatene 83) i ytterflaten av veggen 89 av senderdelen 16 av verktøyet 10. Materialet 70 isolerer mekanisk og akustisk senderen 151 fra veggen 89 av senderdelen 16. Et deksel 91 beskytter trykkhuset 72 mot slipende slitasje som møtes i borehullsmiljøet. Dekselet er vist som en luke, men en ønsket beskyttelse kan også oppnås med en perifer hylse. Senderen 151 er innrettet slik at hovedaksen av senderen er vesentlig vinkelrett på hovedaksen av senderdelen 16 og således vinkelrett på hovedaksen av verktøyet 10.1 denne illustrasjonen, skivesammenstillingen.

På fig. 5 er dekselet 91 konfigurert slik at det akustisk kobler senderen 151 til borehullsmiljøet. Den aksiale midtlinje av senderen 151 er vist ved 80 og vil bli henvist til i den etterfølgende diskusjon.

På fig. 5 er senderdelen 16 av et LWD verktøy 10 typisk en borkrave av stål som omfatter en vegg 89 og et ledningsrør 87 gjennom hvilket borefluid strømmer. For en senderdel 16 som har en ytterdiameter på omtrent 17,8 cm og en veggtykkelse på mindre enn 7,6 cm, er det nødvendig å begrense dimensjonene av fordypningsslissen som definert av overflatene 83. Mer spesifikt er det ønskelig å begrense dybden av slissen til mindre enn halvdel av veggtykkelsen for å begrense asimutbuen av slissen til 5,1 cm eller mindre og begrense den aksiale lengde av slissen til 15,2 cm eller mindre. Disse strukturelle begrensninger setter de maksimale dimensjonene av senderen 151 (og eventuelt andre utførelser av senderen) som kan anbringes innenfor veggen av et LWD verktøy og følgelig påvirke energien og frekvensen fra senderen. Sagt på en annen måte påvirker de fysiske begrensninger på fordypningsslissens hus senderen 86 frekvens og energi fra senderen.

Som nevnt tidligere blir de enkelte skiver 50 som omfatter skivesammenstillingen 51 polarisert, konfigurert og elektrisk koblet for å sende en trykkpuls i en felles retning etter tilførsel av en spenning til sendersammenstillingen.

Fig. 6 er et snitt ved A-A av senderdelen 16 vist på fig. 5. Den akustiske monopolsender 151 anbragt deri er vist fra dette perspektiv med alle elementene og deres identifikasjonsnummere definert i omtalen av fig. 5.

På fig. 5 og 6 skal det nevnes at utgangen fra sendersammenstillingen 151 er en funksjon av det piezoelektriske materialet som brukes i skivene 50, materialet og dimensjonene av massen og endehettene 52a og 52b som samvirker med stangen 54. Disse parameterne blir justert slik at en skivesammenstilling blir omtrent 7,6 cm i lengde og har en driftsfrekvens på 10-12 KHz. Dette frekvensområdet er ideelt for monopolakustiske loggeanvendelser. Tykkelsemodusfrekvensen på en 0,32 cm tykk skive er i megahertz området og vil ikke penetrere langt fra senderen 151.1 et LWD verktøy i et borehullsmiljø, får følgelig tykkelsesmodusen av skivene i en skivesammenstilling ikke noen virkning på målingene foretatt ved å bruke lengdemodusen. En skive med en diameter på 3,8 cm har en frekvens i området 40-50 KHz i den radiale modus. For at denne frekvens ikke skal forstyrre lengdemodusfrekvensen, bør diametrene av skivene innenfor en skivesammenstilling holdes på maksimum 3,8 cm.

En andre utførelse av senderen omfatter to skivesammenstillinger føyd sammen av en bueformet massestruktur. På fig. 7 som viser i snitt denne doble skiveradiale sammenstilling, blir den herved heretter kalt den "doble, radiale sammenstilling"- sender og blir nevnt som helhet ved nummer 152. Mer spesifikt omfatter den doble radiale sammenstillingssender to skivesammenstillinger 51a og 51b med hver sammenstilling anbragt i trykkhusene henholdsvis 72a og 72b. Konstruksjonen av hver skivesammenstilling er vesentlig lik den som er vist for den enkle skivesammenstillingen 51 vist på fig. 5 og 6 med unntagelse av den fremre massehette. Enkelte identifiseringsnummere har imidlertid blitt utelatt for tydelighets skyld. Aksene av skivesammenstillingen 51a og 51b er parallelle og hver er vinkelrett på hovedaksen av senderdelen 16 og aksialt tilpasset i senderdelen.

Den bueformede massestrukturen 76 kobler akustisk de to skivesammenstillingene 51a og 51b sammen, slik at endehetene 50b, brukt i den tidligere omtalte skivesammenstilling, ikke blir brukt i den doble radiale sammenstilling. Den bueformede massestruktur 76 fungerer som en endehette for hver av de to skivesammenstillinger. Massestrukturen 76 er festet til stabelsammenstillingen 51a og 51b av sammenstillings-stenger 54 (se fig. 2) som fortrinnsvis strekkes gjennom massestrukturen og avsluttes ved hjelp av passende festeanordninger, for eksempel muttere 54a og 54b. Den bueformede massestruktur vil derved fysisk og akustisk koble stabelsammenstillingene 51a og 51b sammen. Den doble radiale sammenstilling er anbragt i en fordypningsslisse i ytterflaten av veggen 89 av senderdelen 16. Fordypningsslissen defineres av overflatene 83. Som i den foregående utførelse, vil materialet 70 som forer delene av fordypningsslissen isolere skivesammenstillingene 51a og 51b mekanisk og akustisk fra veggen 80 av senderdelen 16.

Begge sendere blir brukt samtidig, slik at alle skivene 50 i hver skivesammenstilling 51a og 51b sender akustiske trykkpulser med samme polaritet til det omsluttende borehullsmiljøet. Den doble, radiale sammenstillingssender 152 er akustisk koblet til borehullsmiljøet gjennom den bueformede massestruktur 76. På grunn av geometriske begrensninger, blir lengdene av skivesammenstillingene i den doble radiale sammenstillingsender 152 (se fig. 7) større enn lengden av skivesammenstillingen som brukes i den enkle radiale skivesammenstillingssender 151 (se fig. 5). Den bueformede massestruktur er også større enn yttermassen 50b av den enkle skivesammenstilling. Dette fører til at den doble, radiale sammenstillingssender virker ved mer enn to ganger trykket fra den enkle skivesammenstillingssender og videre virker ved et mer optimalt frekvensområde.

På fig. 5 kan to akustisk ikke-koblede, enkle stabelsammenstillinger (ikke vist) anbringes i borkragen 87 på samme måte som stabelsammenstillingene 51a og 51b vist på fig. 7. Dette gjør at lengden av hver enkelt stabelsammenstilling kan økes for derved å øke den akustiske effekt. Hver ikke-koblede, enkle stabelsammenstilling kan imidlertid være asymmetrisk tilpasset flere mottagere 22 anbragt i avstand fra senderdelen 16 og vist på fig. 1. Dette vil føre til signalforvrengning ved mottagerne 22. Forvrengning på grunn av asimutinnrettingsfeil mellom sender og mottager er ikke et problem ved bruk av den doble, radiale sammenstillingssender 152. Den bueformede masse 76 asimutfokusert til et enkelt punkt sender fra de to stabelsammenstillinger 51a og 51b. Dette punkt er asimuttilpasset mottagerne 22.

Fig. 9 viser en tenkt aksialfordeling av intensiteten av trykkutgangssignalet som virker i lengdemodus 11-13 KHz-frekvensområdet fra både den enkle skivesammenstillings-akustiske sender 151 og den doble, radiale sammenstillingssender 152. Kurven 92 representerer den akustiske trykkintensitet som funksjon av posisjonen langs Z-aksen. De aksiale midtlinjer 80 og 80a definerer det aksiale senter av senderne 151 og 152 vist på fig. 5-6 og fig. 7-8. Det vil fremgå at signalet er vesentlig en Gauss-fordeling med en spiss ved midtlinjen 80. Som nevnt tidligere er signalet fra den doble, radiale sammenstillingssender 152 mer enn to ganger utgangen fra den enkle skivesammen-stillingsakustiske sender 151.

Aksiale senderkonfiRurasjoner

Fig. 10 er et snitt av senderdelen 16 (se fig. 1) som viser en akustisk monopolsender 251 anbragt aksialt deri. Senderen 251 omfatter en skivesammenstilling 51 av typen vist på fig. 2-4. Skivesammenstillingen 88 er igjen rommet i et trykkhus 72 som fortrinnsvis er fylt med olje og er trykk-og temperaturbalansert. Senderen 251 omfatter også et fleksstrekkelement 200 som omslutter trykkhuset 72. Fleksstrekkelementet 200 er fremstilt av et fjærlignende materiale, for eksempel metallblader og fungerer for å overføre den sendte akustiske energi fra den aksiale til den radiale retning. Per definisjon sammenfaller hovedaksen av senderen 251 med hovedaksen av skivesammenstillingen 51.

Senderen 251 er anbragt i en fordypning (definert av overflatene 183) i ytterflaten av veggen 89 av senderdelen 16 av verktøyet 10. Som i tidligere utførelser vil denne fordypning kalles en "lomme" eller "slisse". Et deksel 210 beskytter senderen 251 fra slipende slitasje som møtes i borehullsmiljøet. Senderen 251 er innrettet aksialt, slik at hovedaksen fra senderen er parallell med hovedaksen av senderdelen 16 og således parallell med hovedaksen av verktøyet 10.

På fig. 10 blir akustiske pulser generert av senderen 251 ført til borehullsmiljøet gjennom beskyttelsesdekselet 210 som akustisk kobler senderen til borehullsmiljøet. Akustiske pulser kan også føres til borehullsmiljøet gjennom åpninger vist ved 185a og 185b som typisk er fylt med borehullsfluid for derved akustisk å koble senderen 251 til borehullsmiljøet. Den aksiale midtlinjen av senderen er vist ved 196 og vil bli referert til i den etterfølgende diskusjon.

Som nevnt tidligere er senderdelen 16 av et typisk LWD verktøy 10 typisk en borkrage av stål som omfatter veggen 89 og et ledningsrør 87 gjennom hvilket borefluid strømmer. På fig. 10 er det en senderdel 16 med en ytre diameter på omtrent 17,8 cm og en veggtykkelse på mindre enn 7,6 cm. Det er nødvendig av strukturelle årsaker å begrense dimensjonene av fordypningsslissen definert av overflatene 183. Som tidligere nevnt er det ønskelig å begrense dybden av slissen til mindre enn halvdelen av veggtykkelsen for å begrense asimutbuen av slissen til 5,1 cm eller mindre og begrense den aksiale lengde av slissen til 15,2 cm eller mindre. Disse strukturelt baserte fordypningsbegrensninger setter de da maksimale dimensjoner av en sender 251 som kan anbringes i veggen av et LWD-verktøy og følgelig påvirke energien og frekvensen fra senderen. Som i foregående utførelser, påvirker fysiske begrensninger av fordypningsslissen som rommer senderen 251 frekvensen og energi fra senderen.

Som tidligere nevnt blir de enkelte skiver som omfatter skivesammenstillingen 88 polarisert, konfigurert og elektrisk koblet for å sende en trykkpuls i en felles retning der tilførsel av en spenning til sendersammenstillingen.

Detaljer av den grunnleggende skivesammenstilling 51 har blitt illustrert (se fig. 2 og 3) og omtalt i detalj i det foregående avsnitt av beskrivelsen. Fig. 11 er et snitt A-A av senderdelen 16 vist på fig. 10. Senderen 251 som omfatter en fleksstrekkelementet 200 som omslutter skivesammenstillingen 51, er vist anbragt i slissen definert av overflatene 183 i veggen 89 av senderdelen 16. Fleksstrekkelementet 200 er fremstilt av et fjærlignende materiale, for eksempel metallblader og fungerer for å overføre den sendte, akustiske energi fra den aksiale til den radiale retning. Mer spesifikt samvirker fleksstrekkelementet 200 med skivesammenstillingen 51 for å rette en hovedkomponent av den akustiske energi radialt inn i borehullsmiljøet for derved å minimere en aksial komponent som propagerer langs borehullet og verktøyet 10. Fig. 2 viser den tenkte aksiale fordeling av intensiteten av trykkutgangssignalet som virker i lengdemodus 11-13 KHz-området fra senderen 251 vist på fig. 10 og 11. Kurven 192 representerer akustisk trykkintensitet som funksjon av posisjonen langs Z-aksen. Den aksiale midtlinje 196 definerer det aksiale senter av senderen 251 vist på fig. 10. Den finnes en fremtredende spiss ved 198 med to mindre utvidelser 197 og 195 på hver side av spissen som viser at en hovedkomponent av den akustiske energi blir rettet radialt inn i borehullsmiljøet.

Eventuelt kan dimensjonene av en enkelt, radialt innrettet sender varieres og sammentrykk og frekvens kan oppnås ved å bruke to sendere. Fig. 13 er et snitt av senderdelen 16 og viser to sendere 251a og 151b anbragt i to aksialt tilpassede spissfordypninger definert av overflatene henholdsvis 251a og 251b. Begge senderne blir brukt samtidig, slik at alle skivene i hver sender sender akustisk trykkpulser med samme polaritet inn i det omsluttende borehullsmiljøet. I motsetning til denne doble sender nevnt tidligere og vist på fig. 7 og 8, er senderne ikke mekanisk og direkte akustisk koblet til hverandre. Begge senderne 251a og 251b er beskyttet mot slitasje av dekslene 210a og 210b og er akustisk koblet til borehullsmiljøet gjennom tilsvarende fleksstrekkelementer 200a og 200b med åpninger av typen vist ved 185a og 185b på fig. 10 og gjennom dekslene 210a og 210b. For å sikre at ankomsten av den akustiske energi ved mottagerdelen 20 (se fig. 1) ikke utvides i bredden eller fase skiftes, er det foretrukket å bruke to mottagergrupper hver med flere mottagere 22 i hver gruppe asimuttilpasset til normalen av hver sender 251a og 251b.

En ulempe med den konstellasjon er at trykksignalet blir sendt i alle retninger. Skjærelementene som er innrettet innover mot verktøylegemet vil generere akustisk trykk som kan øke verktøymodusen. En alternativ fleksstrekkinnretning kan struktureres for å bøye i alle radiale retninger, men til bare å generere et betydelig trykk i en retning som er radialt utadvendt fra loggeverktøyets hovedakse.

Ovennevnte beskrivelse skal anses å være illustrerende og ikke begrensende og oppfinnelsen er bare begrenset av de vedlagte krav.

Claims (14)

1. LWD loggeverktøys (10) akustisk sender (16), omfattende en første og en andre skivesammenstilling (51a; 51b) hver omfattende flere piezoelektriske skiver og en klemmekanisme (54) som samvirker med en første endehette (52a) og en andre endehette (52b) for å utøve en sammentrykkende kraft på skivesammenstillingen, og en bueformet masse (76), karakterisert vedat hver av skivesammenstillingene er anbragt i et trykkhus (72a; 72b) i en fordypning i en ytterflate som definerer en vegg (89) av loggeverktøyet, skivene er polarisert og konfigurert fysisk og elektrisk for å sende en trykkpuls fra hver skive i en felles retning ved tilførsel av en spenning til minst én skivesammenstilling, hver skivesammenstilling er anbragt i fordypningen slik at aksen til hver skivesammenstilling er vinkelrett på hovedaksen til loggeverktøyet, hvori aksene til de første og andre skivesammenstillingene er parallelle og radialt innrettet, og en første ende av den bueformede massen fungerer som den første endehette av den første skivesammenstilling og en andre ende av den bueformede massen fungerer som den første endehette av den andre skivesammenstilling for derved akustisk å koble og mekanisk å sammenkoble de første og andre skivesammenstillingene.

2. Sender ifølge krav 1,karakterisert vedat den bueformede massen samvirker med de første og andre skivesammenstillingene for å føre akustisk energi fra skivesammenstillingen til borehullsmiljøet.

3. Sender ifølge krav 1,karakterisert vedat den bueformede massen samvirker med hver de første og andre skivesammenstillingene for å føre akustisk energi fra de første og andre skivesammenstillingene utover fra hovedaksen til loggeverktøyet.

4. Sender ifølge krav 1,karakterisert vedat de første og andre skivesammenstillingene er dimensjonert og konfigurert for å sende en akustisk puls ved et bestemt trykk og en bestemt frekvens ved tilførsel av en spenning til skivesammenstillingene.

5. Sender ifølge krav 1,karakterisert vedat hovedoverflaten av skivene er bundet til intervenerende lag av ledende materiale.

6. Sender ifølge krav 1,karakterisert vedat de de første og andre skivesammenstillingene er dimensjonert og konfigurert for å virke ved en frekvens på omtrent 8-15 kHz.

7. Sender ifølge krav 1,karakterisert vedat de de første og andre skivesammenstillingene er dimensjonert og konfigurert for å yte et trykksignal i området 2-3 kPa ved en inngangsspenning på omtrent 1000 volt tilført skivesammenstillingen.

8. Fremgangsmåte for å sende trykkpulser i et borehull fra et LWD loggeverktøy (10), omfattende å anbringe i borehullet et loggeverktøy omfattende minst en skivesammenstilling (51) med flere piezoelektriske skiver og en klemmekanisme (54) som samvirker med en første endehette (52a) og en andre endehette (52b) for å utøve en trykkraft på skivesammenstillingen, karakterisert vedå anbringe minst en skivesammenstilling i et trykkhus (72a; 72b) i en fordypning i en ytterflate som definerer en vegg (89) av loggeverktøyet, polarisere og konfigurere fysisk og elektrisk skivene for å emittere trykkpuls fra hver skive i minst en skivesammenstilling i en felles retning etter tilførsel av en spenning til minst en skivesammenstilling, anbringe minst en skivesammenstilling i fordypningen slik at aksen til minst en skivesammenstilling står vinkelrett på hovedaksen til loggeverktøyet, tilveiebringe en første og en andre skivesammenstilling (51a; 51b), tilveiebringe en bueformet masse (76), rette inn de første og andre skivesammenstillingene med deres akser parallelt og radielt innrettet, akustisk koble og mekanisk sammenkoble de første og andre skivesammenstillingene, hvori en første ende av den bueformede massen fungerer som den første endehetten til den første skivesammenstilling og en andre ende av den bueformede masse fungerer som den første endehetten til den andre skivesammenstilling.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat den bueformede massen samvirker med de første og andre skivesammenstillingene for å rette akustisk energi fra de første og andre skivesammenstillingene til borehullsmiljøet.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat de første og andre skivesammenstillingene samvirker med de første og andre skivesammenstillingene for å rette akustisk energi fra skivesammenstillingen radialt utover fra hovedaksen til loggeverktøyet.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat den videre omfatter å dimensjonere og konfigurere de første og andre skivesammenstillingene for å emittere en akustisk puls ved et bestemt trykk og en bestemt frekvens etter tilførsel av en spenning til minst én skivesammenstilling.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat den videre omfatter å dimensjonere og konfigurere minst de første og andre skivesammenstillingene for å virke ved en frekvens på omtrent 8-15 kHz.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat den videre omfatter å dimensjonere og konfigurere de første og andre skivesammenstillingene for å yte et trykksignal i området 2-3 kPa ved en inngangsspenning på omtrent 1000 volt tilført skivesammenstillingen.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat den videre omfatter å binde hovedflater av skivene i hver av de første og andre skivesammenstillingene til intervenerende lag av ledende materiale.