NO830191L - Akustisk broennloggesystem - Google Patents

Abstract

(57) Sammendrag Et akustisk brønnloggeinstrument omfatter en transducer (42) av bøyetype som en punktkilde for en akustisk skjærbølge. Bøye-transduceren (42) omfatter motstående, ubegrensede, plane flater, som er montert i et kammer som er fylt med en koplingsvæske (45). De ubegrensede flater av transduceren 42 er orientert i lengderetning langs instrumentets akse og er utsatt for koplingsvæsken. Transduoerens (42) ; dimensjoner i retningen parallelt med instrumentets lengdeakse overstiger dimensjonene i tverr-retning. En eller flere bøye-transducere med samme form som transduceren (42) kan benyttes som akustiske mottagere i instrumentet. De aktive fla- , ter av mottager-transducerne er orientert i det vesentlige i samme retning som de aktive flater av sender-transduceren (42).

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et akustisk skjær-bølge-brønnloggesystem.

Det er kjent å inspisere brønner ved akustiske logge-teknikker. En kjent akustisk loggeteknikk omfatter generering og mottagelse av akustiske pulser og bestemmelse av pulssigna-lenes vandringstid mellom en sender og en mottager eller mellom mottagere i innbyrdes avstand. Ved hjelp av denne teknikk kan lydhastigheten gjennom en underjordisk formasjon bestemmes for en karakterisering av formasjonen. En annen akustisk loggeteknikk omfatter amplitudelogging, hvor det skjer måling av amplitudetap av et akustisk signal, når dette vandrer mellom en sender og en mottager eller mellom mottagere i innbyrdes avstand. Hastighets- og amplitudelogging kan gjennomføres hver for seg eller i kombinasjon, dvs loggeinstrumentet kan utsty-res med passende kretser for registrering både av det akustiske signalets vandringstid og amplitudetapet.

Et akustisk signal kan sendes gjennom en underjordisk formasjon i både trykk- og skjær- (transversal) modus. Ettersom en skjærbølge ikke kan sendes langs borehullet gjennom væske i borehullet, er det foreslått å sende og motta skjær-bølger ved hjelp av transducere som er anordnet i kontakt med borehullveggen. US patentskrift nr. 3 949 352 angir f.eks. et akustisk skjærbølge-loggesystem som utnytter sender- og motta-gertransducere anbrakt i innbyrdes avstand nær hverandre og anordnet i et transducer-monteringsorgan, som presses mot borehullveggen. Mens dette fremgangsmåte krever direkte kopling av sender- og mottager-transducerne til borehullveggen, er skjærbølgelogging ved bruk av såkalt "indirekte" eksitasjon

av borehullveggen omtalt i Kitsunezaki, "A New Method for

Shear Wave Logging", 0Y0 Technical Note, Urawara Research Institute, okt. 1978. Ved denne fremgangsmåte blir en elektro-magnetisk transducer "opphengt" i vann (borehull-fluidum) og benyttet til å generere en asymmetrisk skjærbølgepuls gjennom borehullfluidumet og ut i formasjonen. Transduceren er orientert slik at en eksitasjonsspole vibrerer langs en akse perpendikulært på brønnaksen. Den resulterende skjærbølge detekteres ved et flertall mottagere, som er anordnet i innbyrdes avstand i lengderetning fra senderen. Mottagerne har formen av detektorer av geofontypen i et detektorlegeme som er opphengt i borehullfluidumet og har en tilsynelatende tetthet justert til å være lik borehullfluidumets tetthet.

Et aspekt av foreliggende oppfinnelse ligger i et akustisk brønnloggesystem som omfatter

(a) et langstrakt loggeinstrument tilpasset for innfø-ring i et borehull, (b) organer for dannelse av et kammer i instrumentet som inneholder en koplingsvæske, (c) en akustisk sender montert i kamret og omfattende en transducer av bøyé^type, som har motstående, ubegrensede piezoelektriske, plane flater som er orientert langs instrumentets lengdeakse og utsatt for nevnte koplingsvæske, hvor transducerens dimensjoner i retningen parallelt med instrumentets lengdeakse overstiger transducerens dimensjoner i tverr--retningen, (d) organer for eksitasjon av senderen for samtidig å bøye de motstående piezoelektriske flatene på konform måte og generere en positiv trykkbølge i en retning, samtidig som det genereres en negativ trykkbølge i motsatt retning, og (e) en akustisk mottager, montert i instrumentet i avstand i lengderetningen fra senderen. • Mottageren er fortrinnsvis også en transducer av bøye-type, I- som er montert i et væskefylt' kammer og har motstående, ubegrensede, plane flater som er utsatt for væsken i kamret og i det vesentlige er orientert i samme retning som senderen.

I de vedlagte tegninger er

fig. 1 en skjematisk illustrasjon av et akustisk logge-system ifølge et eksempel av foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 en illustrasjon, delvis i snitt, som-viser de-taljer av et parti av instrumentet som er vist i fig. 1, og fig. 3 et snitt etter linjen 3_3 i fig. 2.

Som vist i fig. 1, omfatter loggesystemet et langstrakt loggeinstrument 10, som er opphengt i en kabel 11 i et borehull 12 som går tvers gjennom en underjordisk formasjon av interesse som er betegnet med 14. Formasjonen 14 kan være.en forventet

olje- eller gassførende formasjon som skal karakteriseres med

J

henblikk på porøsitet, fluidummetning eller andre egenskaper av interesse. Brønnen 12 fylles med en væske, som boreslam, betegnet med 16. Loggeinstrumentet 10 omfatter en akustisk sender 17 og akustiske mottagere 19 og 20. Senderen 17 og fortrinnsvis også mottagerne 19 og 20 har formen av bøye-transducere, som mer detaljert beskrevet nedenfor.

Signaler fra loggeinstrumentet 10 blir sendt opp i borehullet ved hjelp av lederne i kabelen 11 og til et hensiktsmessig utnyttelsessystem på overflaten. Utnyttelsessyste-met er eksempelvis illustrert som et system som omfatter en analyse- og styrekrets 22 og en registreringsanordning 24. En dybde-indikator danner et dybdesignal, som påtrykkes registre-ringsanordningen 24, slik at utgangen fra kretsen 22 kan kor-releres med dybde.

Loggesystemet kan drives på en slik måte at en eller flere parametre som kan slås fast med akustiske brønnloggesys-temer blir målt. Systemet kan f.eks. drives i en hastighets-og/eller amplitude-loggemodus som omtalt ovenfor. Senderen og mottagerne styres via hensiktsmessige tidsinnstillingskretser som enten er anordnet på overflaten eller i selve loggeinstrumentet. Styrekretsen vil gjerne omfatte en tidsbasis-generator, som drives for å danne pulser som eksiterer senderen 17 og som portkopler. mottagerne 19 og 20. De elektriske pulser som er dannet av tidsbasis-generatoren er fortrinnsvis spennings-spisser, dvs spenningspulser med forholdsvis høy amplitude og kort varighet med et særdeles bredt frekvensspektrum. Energi-sering av den akustiske sender 17 med spennings-spisser for-årsaker at de piezoelektriske krystaller (se fig. 2) gir resonans på en frekvens som er bestemt av krystallens dimensjoner, som forklart nedenfor. Tidsbasis-generatoren kan f.eks. generere et tog av trigger-pulser som produserer en pulsrepetisjons-hastighet på 15 akustiske pulser/sekund fra senderen 17..Mottagerne 19 og 20 kan portkoples alternativt for å hindre tverr-mating i kabelen 11, som.fagfolk uten videre vil forstå. Mottageren 19 kan f.eks. portkoples på under et intervall på

0,5 til 30 millisekunder etter en første akustisk puls fra senderen 17. Mottageren 19 blir deretter portkoplet av og etter påfølgende puls fra senderen 17 blir mottageren 20 portkoplet

på. Mottageren 20 kan f.eks. portkoples- på under et lignende intervall fra 0,5 til 30 millisekunder etter senderens utgangs-puls. Loggeinstrumentet kan beveges gjennom brønnen med valgfri hensiktsmessig hastighet, mens det drives for å generere og motta akustiske pulser. Instrumentet vil gjerne bli senket til bunnen av det parti som skal logges og trekkes deretter opp under loggemåling med en hastighet på minst 6 m/minutt. Noe større loggehastigheter, f.eks. 18 m/minutt kan normalt benyttes .

På overflaten arbeider overflatekretsene med signalene fra mottagerne 19 og 20 for å produsere signaler som representerer vandringstiden mellom mottagerne 19 og 20 og amplitude-forskjellen mellom de akustiske signaler som detekteres av mottagerne 19 og 20. Kretsene som benyttes for bestemmelse av tidsintervallet mellom ankomsten av det akustiske signal ved mottagerne 19 og 20 kan være av en valgfri hensiktsmessig ty-pe. Pulsene som benyttes for å trigre senderen kan f.eks. også påtrykkes en sagtanngenerator ("ramp function generator") for å sette i gang et signal som øker monotont med tid. Sagtanngeneratoren kan f.eks. svare på en triggerpuls med å generere en spenning som øker lineært med tid. Dermed er spenningens amplitude direkte proporsjonal med tiden som følger etter generering av- det akustiske signal ved senderen 17. Utgangen fra sagtanngeneratoren blir via porter som styres av utgangene fra mottagerne 19 og 20 påtrykt respektive spennings-lagringsorga-ner. Når et akustisk signal mottas ved mottager 19, vil den resulterende transducerspenning således påtrykkes for å åpne en port som lar spenningen fra sagtanngeneratoren passere til en første lagringsanordning. Når neste signal mottas av mottageren 20, påtrykkes transducersignalet for åpning av en annen port som lar utgangssignalet fra sagtanngeneratoren passere til en andre lagringsanordning. De to spenningssignaler blir deretter påtrykt en differansekrets, hvis utgang registreres i korrelasjon med dybden for å gi en vandringstidslogg. Ampli-tudeparametret kan bestemmes på lignende måte ved bruk av valgfrie, hensiktsmessige kretser. Spenningsspissutgangene fra mottagerne 19 og 20 kan f.eks. påtrykkes en differansekrets, som produserer en spenning som representerer differansen mel lom de maksimale amplituder av de akustiske signaler som mottas av mottagerne 19 og 20. Utgangen fra denne differansekrets blir deretter registrert for å gi en logg av attenuasjonen i<1>, formasjonen. Slike analyse-'og styrekretser er kjent for fag-folk, og det vises i denne forbindelse til US patentskrift nr. 3 191 145. Skjønt det er vist to mottagere, vil det også være innlysende at loggeinstrumentet kan være utstyrt med bare en mottager. I dette tilfelle kan en målt parameter være vand-., ringstiden mellom senderen 17 og mottageren. Fortrinnsvis benyttes dog to mottagere som vist for at man skal unngå for-vrengning av de målte verdier som følge av borehulleffekter, som endringer i borehulldiameteren. Første mottager 19 har gjerne en avstand på ca. 1,5 til ca. 4,5 m fra senderen med en avstand på ca. 0,6 - ca. 1,5 m mellom nærliggende mottagere 19 og 20.

Som tidligere nevnt, produseres akustiske skjærbølge-pulser ved hjelp av en transducer av bøye-type. Transducere av bøye-type er i og for seg velkjent og har formen av et element som reagerer på et påtrykt elektrisk felt slik at dets motstående flater bøyes i samme retning på en konform måte. Transduceren virker således som en punktkilde for et akustisk skjær-bølgesignal som kan karakteriseres som omfattende en positiv trykkbølge generert i en retning fra en flate og en samtidig negativ trykkbølge generert i motsatt retning fra den andre flaten. Som beskrevet av Sheridan, C.A., et al, "Bender Bar Transducers For Low-Frequency Underwater Sound Sources", frem-lagt på det 97. møte i Acoustical Society of America, i Cam-bridge, Massachusetts, 15. juni 1979, Honeywell Defense Electronics Division, Seattle, Washington, 20. august 1979, kan en hensiktsmessig transducer av bøye-type f.eks. ta form av piezoelektriske elementer som er bundet sammen på en slik måte at en side av transduceren drives utvidende, mens den andre siden drives sammentrekkende eller ikke drives. Resultatet er at begge sider av transduceren da bøyes på en konform måte som respons på et påtrykt spenning. En hensiktsmessig transducer av bøye-typen til bruk ved foreliggende oppfinnelse er handelsført og omfatter to piezoelektriske skiver, som er bundet sammen og innelukket i en plastisk støpemasse. De to keramiske skivene har innbyrdes motsatt polaritet, slik at ett element reagerer på en påtrykt spenning ved ekspansjon, mens det andre trekker seg sammen. Resultatet er at elementet bøyes som respons på hver spenningspuls, slik at en flate er konkav og den andre konveks. Frekvensen av det akustiske signal som produseres av denne transducer strekker seg fra ca. 1 til 6 khz, med en overveiende frekvens på ca. 3 khz.

Transduceren av bøye-type er. montert slik at de motstående bøyelige flater er uhemmet og begge er akustisk koplet til væsken i brønnboringen.

Fig. 2 og 3 illustrerer en gjengivelse i større måle-stokk av senderenheten 17, som i detalj viser transduceren av bøyetype og hvordan den er avstøttet i loggeinstrumentet. Som vist i fig. 2, begrenser øvre og nedre plater 36 hhv 37 et transducerkammer i loggeinstrumentet. Mellom platene 36 og 37 forløper en monteringsbrakett 40 for transduceren med en åpning hvor transduceren 42 av bøye-type opptas. Transducerkamret er forsynt med et omkretsvindu 43, som er forholdsvis gjennomtrengelig for akustisk energi. Vinduet 43 kan være utformet av et valgfritt, hensiktsmessig materiale som har en akustisk impedans nær opp til brønnvæskens for minimalisering av refleksjoner fra vinduet. Transducerkamret er fylt med en hensiktsmessig koplingsvæske, som antydet med henvisningstall 45 i fig. 3- Også koplingsvæsken har en akustisk impedans nær opp til væskens i brønnboringen. Vinduet 43 kan f.eks. være utformet av neoprengummi og koplingsvæsken 45 i kamret kan væ-re en lett motorolje.

Monteringen av transduceren 42 av bøye-type er vist \ mer detaljert i fig. 3- Her omfatter transduceren 42 generelt rektangulære, piezoelektriske elementer 42A og 42B, som er bundet sammen og innelukket i en plastisk støpemasse 42C. Iføl-ge det foretrukne utførelseseksemplet er lengden L av den piezoelektriske plane flate eller dimensjon parallelt med loggeinstrumentets midtakse ca. tre ganger så stor som dens bred-de W eller dimensjon perpendikulært på loggeinstrumentets midtakse. Transduceren 42 er montert i en støtteanordning 40 ved hjelp av en monteringsring 48 av gummi for reduksjon av sending av akustisk energi direkte fra transduceren til brønn- loggeinstrumentets komponenter. Elektriske ledninger 50 og 52 er bundet til elementenes 42A hhv 42B ytterflater. Ledningene 50 og 52 forløper gjennom platen 36 til en hensiktsmessig spenningspulskilde, som en kondensator- og induktorkrets, som periodevis lades og deretter utlades som respons på en hensiktsmessig triggerpuls, som omtalt ovenfor.

Bruken av piezoelektriske elementer 42A, 42B for sender-transduceren 42 med langstrakt utførelse i retning av instrumentets akse gjør det mulig å generere frekvenser med lavere resonans enn med sirkulære piezoelektriske elementer. Generering av en resonansfrekvens på 1 khz ville således kre-ve sirkulære,-piezoelektriske elementer med en diameter på ca. 15,24 cm. Dette er for stort til å monteres i et loggeinstrument for et borehull som har en radial avstand på ca. 7,62 cm.

Transduceren av bøye-type som er beskrevet i forbindelse med det foretrukne utførelseseksempel virker som en en-punkts akustisk kilde og produserer ideelt en skjærbølgefor-skyvning og et strålingsmønster av den type som er omtalt i ovennevnte artikkel av Kitsunezaki. Skjærbølgens amplitude er maksimal i planet av de virksomme flater av bøye-transduceren og faller av som en kosinusfunksjon, inntil den når et mini-mum etter forskyvning gjennom en vinkel på 90°. Trykkbølge-mønsteret er 90° faseforskjøvet i forhold til skjærbøgen.Dermed er trykkbølgens amplitude maksimal langs en akse perpendikulært på de virksomme flater av bøye-transduceren.

Den eller de mottagende transducere kan ifølge det bredeste aspekt av oppfinnelsen være av en valgfri, hensiktsmessig type. De kan f.eks. ha formen av en opphengt geofonde-tektortype av det slag som er omtalt i Kitsunezakis artikkel. Det foretrekkes dog å anvende en bøye-transducer av samme form og utførelse som transduceren 42 for mottagelse av det akustiske signal og for å orientere den mottagende transducer slik at dens motstående virksomme flater er orientert i det vesentlige i samme retning som sender-transduceren. Som nevnt, er de virksomme flater av sender- og mottager-tratisducerrre- plas-sert i hovedsakelig parallelle plan. Ettersom skjærbølgens forskyvningsmønster er en kosinusfunksjon, kan noe avvik fra denne standard tåles og fortsatt gi en signalrespons som er

godt og vel over 90% av den maksimale skjærbølgeamplitude.

Når to mottager-transducere blir brukt, bør begge mottagere være orientert i samme retning, især når systemet drives i en amplitude-loggemodus, dvs hvor man kommer frem til attenuasjonen av signalet mellom mottagerne ved sammenligning av ampli-tudene av signalene som mottas av mottagerne.

Claims (2)

1. Akustisk brønnloggesystem, karakterisert ved en kombinasjon som omfatter (a) et langstrakt loggeinstrument tilpasset for innfø-ring i" et borehull, (b) organer for dannelse av et kammer i instrumentet for opptagelse av en koplingsvæske, (c) en akustisk sender montert i kamret og omfattende en transducer av bøyetype med motstående ubegrensede piezoelektriske plane flater orientert langs instrumentets lengdeakse og utsatt for koplingsvæsken, hvor dimensjonene av transduceren i retningen parallelt med instrumentets lengderetning overstiger dimensjonene, av transduceren i tverr-retning, (d) organer for eksitasjon av senderen for samtidig bøyning av de motstående piezoelektriske flater på en konform måte og generering av en positiv trykkbølge i en retning, mens det samtidig genereres en negativ trykkbølge i motsatt retning, og (e) en akustisk mottager montert i instrumentet og anordnet i avstand i lengderetningen fra nevnte sender.

2.. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at mottageren omfatter en transducer av bøye-type med samme form som sender-transduceren med motstående, ubegrensede piezoelektriske, plane flater orientert i det vesentlige i samme retning som sender-transduceren.