NO162788B - Broennloggeinnretning for kontinuerlig logging av skjaere- og trykkboelgeoverfoeringskarakteristikker. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår brønnloggeinnretning for kontinuerlig logging av skjære- og trykkbølgeoverførings-karakteristikker av den art som angitt i innledningen til krav 1.

Det har lenge vært kjent å logge akustisk åpne brønnhull for

å bestemme hastighetene til trykk-"P"-bølger og skjære-"S"-bølger som utbreder seg gjennom steinformasjoner i nærheten av brønnhullområdet. Loggeanordninger som har blitt benyttet for dette formålet innbefatter i alminnelighet en lydkilde (sender) og en eller flere mottagere anbrakt ved på forhånd valgte avstander fra lydkilden. Kitsunezaki har f.eks. antydet en slik anordning for bruk ved skjærebølgelogging hvor senderen er anordnet 3,2 m fra den første av 5 mottagere som er anbrakt med en avstand på 1 m fra hverandre nede i et elastisk guromirør som er ment akustisk å isolere disse ele-mentene fra hverandre (se "A New Method for Shear Wave Logging", av Choro Kitsunezaki, Oyo Technical Note RP-4101,

Oyo Corporation, Urawa Saitama 336 Japan, oktober 1978).

Ved takting av utbredelsen av trykkbølger, skjærebølger, og/eller rørbølger mellom sendere og hver mottager er det vanligvis mulig å bestemme arten av de omgivende steinforma-sjonene. Ved logging av løst fortettede formasjoner er det imidlertid ofte vanskelig å adskille mellom kompresjons-, skjære-, rør- og sekundærbølger som kan innbefatte deler av et bølgetog som ankommer ved en gitt mottager. Bruken av fjerntliggende anbrakte multipelmottagere er således ment å være til hjelp ved adskillelsen mellom ankommende bølge-fronter og støy i systemet. Multipelmottagere tillater gjenkjennelse av like bølgemønster og bølgefronter som er mottatt hver suksessiv mottager. Siden utbredelsestids-forskjellene øker med økende avstand fra sendekilden vil bølgefronter og mønster som er tett anordnet ved siden av hverandre ved nærheten av mottagerstedet, separeres med tiden at deres mottagelse ved fjerntliggende mottagersteder. Forskjellige signaltakt-og bølgefrontanalysemetoder har også blitt antydet for å skille mellom bølgefronter mottatt ved en gitt mottager. Flesteparten av disse metodene innbefatter taktkretser som forutsetter mottagelsen av og forenkler samlingen av slik bølgefrontinformas jon. Forskjellige logge-teknikker for samling og analysering av trykkbølge, skjære-bølge, rørbølge og sekundærbølgedata er beskrevet i US-paten-tene nr. 3.333.238 og nr. 3.362.011.

Ved konstruksjon av loggeinstrumentene har forskjellige typer av sendere, slik som piezoelektriske eller magnetostriktive sendere blitt antydet for å tilveiebringe akustiske logge-signaler. For vanlig loggeoperasjon må slike sendere bli anbrakt midt i borehullet og være tilpasset til å frembringe lyd som blir strålet i et flerretningsmønster (360°) fra senderen til tilliggende brønnhullflater. Slike sendere er velegnet for å tilveiebringe trykkbølger i omgivende stein- og sandformasjoner.

Siden trykkbølger utbreder seg hurtigere enn skjære-, rør-eller sekundærbølger som også kan bli tilveiebrakt av en flerretningssender blir beregningen av trykkbølgenastig-heten utført ved å anta at den første ankomne bølgefronten eller bølgemønsteret er det til en trykkbølge. Ved løst fortettede formasjoner er det vanskelig å skille fra hverandre de ankomne skjærebølgene, rørbølgene og/eller sekun-dærbølgene. Ved slike formasjoner tenderer flerretningssendere å frembringe trykkbølger av mye større amplitude enn noen skjærebølge tilveiebrakt derved. Gjenkjennelsen av skjærebølgeankomsten er således spesielt vanskelig.

I den senere tid har oppmerksomheten blitt rettet mot ut-viklingen av sendere som er spesielt egnet for skjærebølge-logging. Teorien bak punktkildesenderne, som generelt skissert i ovenfor nevnte Kitsunezaki artikkelen er at de er i stand til å direkte frembringe S-bølger. Om vanlige flerretningssendere er sagt at de kun kan indirekte frembringe skjærebølger. Sendere av punkttypen frembringer føl-gelig skjærebølger med vesentlig høyere amplitude enn tidligere mulig med vanlige flerretnings-P-sendere. Formasjoner av slik som løst fortettet eller ikke-fortettet sand, hvor skjærebølger ikke utbreder seg med tilstrekkelig amplitude for å tillate definitiv detektering og som be-nytter vanlig P-bølgemottager kan følgelig nå være skjære-bølge logget med disse S-bølgeloggesystemene. Oyo Technical Notes RP-4105 med tittelen "Development of a Suspension Type S-Wave Log System", av Kimio Ogura (november 19 79) og RP-4125 med tittelen "Development of the Suspension S-Wave Logging System (Report No. 2)", av Kimio Ogura et al (november 1980) angir ytterligere informasjon angående S-bølge-loggesys ternene.

På tross av ovenfor nevnte beskrevne utviklinger ved logge-teknikker og innretninger opptrer ikke desto mindre vanske-ligheter ved logging av åpne borehull, spesielt de bore-hullene som går gjennom ikke-fortettede eller løst fortettede formasjoner slik som sandsten eller sand. For å tilveiebringe de best mulige loggedata er det viktig å logge bore-huller så snart en boring er fullført. Boreslammet har en tendens til å ødelegge loggekarakteristikken til et åpent borehull og kan påvirke samlingen av pålitelige loggedata dersom det går en tid mellom fullførelsen av boringen og loggeoperasjonen. Ikke bare er riggtiden spesielt kostbar (for tiden i størrelsesorden av $50.000 til $100.000 pr. dag), men der er en stor fare for forlengingen av en hver loggeoperasjon. Mange borehull vil f.eks. ikke forbli åpne for en lengre tid. Det er således viktig å utføre loggeoperasjonen for å forhindre en hver nødvendighet av å gjen-innføre rørledning inn i borehullet for å spyle med slam. Følgelig er et behov til stede ved løst fortettede formasjoner å tilveiebringe all data som kan bli samlet ved bruk av både vanlig og skjærebølgeloggingsinnretninger og å gjøre dette på en slik måte som tillater en effektiv og pålitelig samling av slik data fra et åpent nylig boret

borehull.

Ovenfornevnte ulempe unngås ved hjelp av en brønnlogge-innretning av den innledningsvis nevnte art hvis karakteris-tiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige underkravene.

Flere mottagere kan anordnes med en avstand fra hverandre fra hver av senderne ved valgte intervall langs en akustisk isolerende loggeledning. I det minste enog fortrinnsvis to mottagere, som er relativt mere følsomme for skjærebølgene frembrakt av senderen av punktkildetypen, er anordnet tettest opp mot denne senderen. Denne sidestillingen til senderne og mottagerne har den fordelen av forskjellige bevegelsestider for skjære- og trykkbølgene for å tillate en hurtig syklus-føring av anordningen for å samle optimal mengde med loggeinformasjon. Syklushastigheten blir fortrinnsvis øket ved vekselvis aktivisering av hver sender somfølge av mottagelse av et egnet signal ved mottageren av vekselbølge-typen.

For bruk under forhold hvor øket akustisk isolasjon ved loggeinnretningen er ønsket, kan flerretningstrykkbølge-sendere anordnes mellom trykkbølgemottagerne og skjærebølge-mottagerne. Alle skjærebølgemottagerne anbringes da tettere opp mot trykkbølgesenderen enn den nærmest til senderen liggende trykkbølgemottager. På denne måten vil en trykkbølge ved den nærmeste trykkbølgemottågeren sikre at trykkbølgene frembrakt av trykkbølgesenderen har blitt passert av skjærebølgemottagerne før deres arbeidssykluser.

Foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives nærmere med henvisning til medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 visser et diagram av brønnloggeinnretningen ifølge et eksempel av oppfinnelsen anordnet i et borehull i ikke-fortettet sand. Fig. 2 viser diagrammessig lignende fig. 1 brønnloggeinn- retningen ifølge et annet eksempel på oppfinnelsen. Fig. 3 viser et diagram over foretrukne sekvenser for logge-anordningen vist på fig. 1. Fra toppen av diagrammet og nedover er vist aktiviseringen av trykksenderen (PT) og punktkildesenderen (ST), representative signaler mottatt av hver av trykkbølgemottagerne (P^, °9 ^3) representative signaler mottatt av skjærebølgemottageren (S^ og S^) og foretrukket

styring (G) for hver av de ovenfor nevnte mottagere, alternative styranoduser som er blitt vist med prikkede streker.

På fig. 1 er innretningen til det første eksempelet vist

i et åpent borehull 14, som er avkortet for illustrasjonens skyld, idet hullet strekker seg fra jordens overflate 10 gjennom jordlaget 18 eventuelt til og gjennom et sandsjikt 20. Selv om ikke vist på fig. 1 vil borehullet 14 normalt være fylt med et fluidium, slik som boreslam, i hvilke logg-gingen ble utført. Loggeinnretningen til det første eksempelet er vist anbrakt i borehullet 14 tilliggende sandsjiktet 20 og forbundet med et styrepanel 9 og en opptegner 8 ved hjelp av en vanlig kabel 12.

Loggeinnretningen vist på fig. 1 innbefatter en øvre del som har en elektronisk seksjon 100 og en flerretningstrykk-(P)-sender 102 og en punktkilde (enveisrettet) skjærebølgesender 10 4 anbrakt i nevnte rekkefølge, under den elektroniske sek-sjonen 100. Flerretningssenderen 102 kan være en piezo-elektrisk eller magnetostriktiv sender av kjent type for frembringelse av egnede opptegnbare trykkbølger. Den foretrukne skjæresenderen 10 4 er en sender av bøyetypen som er beskrevet i US-patentsøknad nr. 106.076. Opphengt under senderen 102 og 104 er en rekke med avstand anordnede mottagere 106-114. Hver av disse mottagerne er opphengt i en akustisk isolasjonsledning 118 som kan være en gummiledning av den typen beskrevet i ovenfor nevnte Kitzunezaki artikkel. Mottagerne 106 og 108 er fortrinnsvis, mottagere av skjære-typen også av bøyetypen som beskrevet i ovenfor nevnte US-patentsøknad. Disse mottagerne er kjennetegnet ved deres høye følsomhet for skjære-(s)-bølger og deres relativt lave følsomhet for trykk og rørbølger. Ved den foretrukne ut-førelsesformen er skjærebølgemottageren 106 anordnet omkring 1,2 til 1,8 m fortrinnsvis omkring 1,5 under skjærebølge-senderen 104 og skjærebølgemottageren 108 anordnet tilnær-met 0,6 til 1,5 m under skjærebølgemottageren 106. Ved denne anordningen strekker avstanden seg mellom skjærebølge-senderen 104 og den fjerntliggende skjærebølgemottageren 108 fra et minimum på omkring 1,8 m til et maksimum på omkring 3,3 m.

Opphengt under skjærebølgemottagerne 106 og 108 er flere trykkbølgemottagere 110, 112 og 114. Disse trykkbølgemot-tagerne kan være av typen vanlig magnetostriktive eller piezoelektriske, som er kjennetegnet av relativt høy følsom-het mot trykk- og rørbølger og relativ lav følsomhet mot skjærebølger. Ved den foretrukne utførelsesformen er trykk-bølgemottageren 110 anordnet ved en avstand på omkring 4 til 5,2 m fortrinnsvis 4,6 m fra trykksenderen 102. Den andre og tredje trykkmottagéren 112 og 144 er opphengt under mottageren 110 ved en avstand på omkring 1,2 til 1,8 m fortrinnsvis på omkring 1,5 m.

Fig. 2 viser en diagrammessig illustrasjon lignende den på fig. 1 over et andre utførelseseksempel av innretningen som har en annen sidestilling av sendere og mottagere. Lignende komponenter på fig. 2 har blitt gitt samme hen-visnings tall som komponentene beskrevet på fig. 1 med unn-tak av i stedet for f.eks. 1.00 på fig. 1 er det betegnet med 200 på fig. 2. Ved den alternative loggeinnretningen vist på fig. 2 har trykkbølgesenderen 202 blitt adskilt fra fjærebølgesenderen 204 for å øke den akustiske isola-sjonen. For sekvensing er fjærebølgemottageren 206 og 208 fremdeles i sideretningen anbrakt tettere til trykkbølge-senderen 202 enn noen annen trykkbølgemottager. Mellomrom-met mellom hver sender og dets respektive mottager er ellers som beskrevet i forbindelse med anordningen på fig. 1.

Den foretrukne sekvensingen for innretningen vist på fig. 1 er vist på fig. 3, som viser litt mer enn en arbeidssyklus for den foretrukne utføreIsesformen. Signalene vist ved hver av mottagersporene på fig. 3 er basert på eksprimentær utført i en løst fortettet formasjon ved å benytte skjære-og trykkbølger frembrakt i huller 3 m bortenfra ved en dybde på 6 m. Disse signalene har ikke blitt hensiktsmessig ekspandert eller komprimert som de ville ha blitt dersom de ville bli frembrakt av mottager anordnet ved en avstand mindre enn eller større enn 3 m. Signalene er ikke desto mindre generelt representative for signaler som ville bli frembrakt av forskjellige mottagere ved den foretrukne ut-førelses formen av innretningen på fig. 1. Tidsskalaen på fig. 3 er generelt representativ for de virkelige hastighetene til bølger opptegnet ved ovenfor nevnte eksperiment, men skal ikke bli tydet som en begrensning av foreliggende oppfinnelse til en bestemt fast tidssekvens. Som beskrevet heretter avhenger syklusfrekvensen til den foretrukne ut-førelsesformens loggeinnretning fortrinnsvis av hastighetene til bølgene som utbreder seg gjennom omgivende borehullfor-masjoner.

Den øverste kurven (PT) er en kurve som viser sekvensen

for aktivisering av trykkbølgesenderen 102. Den neste kurven under ST viser sekvensen for aktivisering av skjærebølge-senderen 104. Med henvisning til både fig. 1 og 3 vil ved aktivering av P-bølgesenderen 102 ved tidspunktet 0, som antydet med spissen på fig. 3 en trykkbølge bli frembrakt som vil utbrede seg gjennom den omgivende sandformasjonen forbi skjærebølgesenderen 104 og skjærebølgemottageren 106 og 108. Denne trykkbølgen blir så mottatt av trykkbølge-mottagerne 110, 112 og 114, som tilveiebringer mottager-kurvene vist på fig. 3 som henholdsvis kurvene P^, V2 og P^. Ved den foretrukne utførelsesformen blir hver av disse mottagerne portført slik at de vil sende deres signaler som

tar til fra det tidspunktet som trykkbølgesenderen blir aktivisert. Åpningen av disse portene er antydet med "+"-tilstanden til styrekurvene Gpl, G^2 og Gp3.

En vanlig signalanalyseinnretning er fortrinnsvis benyttet for å sikre mottagelse av de ønskede informasjonene angående trykkbølgen som reflekteret ved signalkurvene P^, P2 og P^. En slik signalanalyseinnretning kan f.eks. "se" etter en minimumsamplitude for en ankomstbølge som vil være antatt å være trykkbølgefronten. Tiden for mottagelse av denne amplituden kan så bli benyttet for å beregne trykkbølge-hastigheten.

Ved foretrukket utførelsesform blir skjærebølgesenderen 10 4 aktivert som følge av mottagelsen av et trykkbølgesignal av den umiddelbare trykkbølgemottageren 110, som frembringer kurven P^. Ved alternative utførelsesformer kan mottagelsen av andre trykkbølgesignaler, representert med kurvene ?2 eller P^, bli benyttet for å aktivisere skjærebølgesenderen 104. Skjærebølgesenderen 104 kan bli aktivert tidsforsinket for

å motta en av ovenfor nevnte trykkbølger, spesielt tilfelle hvor høye nivåer med akustisk støy har blitt påtruffet,

men denne løsningen er mindre hensiktsmessig.

Den spesielle anbringelsen av skjærebølgemottagerne 106 og 108 tilliggende trykkbølgesenderen 102 sikrer at hver trykk-bølge vil ha passert mottagerne 106 og 108 før påvirkningen av skjærebølgesenderen. Styringen av skjærebølgemot-tagerne 106 og 108 kan tillate samlingen av dataen til å begynne umiddelbart ved aktiviseringstiden for skjærebølge-senderen 104, som antydet med prikkede linjer på fig. 3, eller kan bli forsinket for et på forhånd valgt intervall for å tillate en hver mindre trykkbølge som kan bli frembrakt av skjæresenderen og passere hver skjærebølgemottager før begynnelsen av skjærebølgedatasamlingen. I' dette sist-nevnte tilfellet ville de heltrukne linjerte portanordnin-gene vist på fig. 3 for skjærebølgemottageren 106 (Gs^) og 108 (Gs2) bli foretrukket. Et slikt tidsintervall blir lett beregnet ved å benytte nylig samlet informasjon angående trykkbølgehastigheten. Slike beregninger skulle tas med med hensyn til forskjellige mottagermellomrom i anordningen. Skjærebølgemottageren som samler forsinkel-sestiden er således samtidig stemt for å ta hensyn til trykkbølgehastighetsvariasjoner.

Analysen av skjærebølgeinformasjonen (kurve S og S^) er utført i samsvar med vanlig tidligere kjente prosedyrer som kan være lignende ovenfor nevnte trykkbølgeanalyse-prosedyre. Så snart mottagelsen av skjærebølgefronten er detektert ved trykkbølgemottagerne 112 og 114 kan trykk-bølgesenderen 102 igjen bli aktivisert for igjen å starte arbeidssyklusen. Som vist med styringskurvene på fig. 3 vil trykkbølgemottageren 110-114 sende informasjon til overflatestyrepanelet mens skjærebølgemottagerne blir desaktivert og motsatt. I praksis blir innretningen gradvis beveget gjennom borehullet når arbeidssyklusen blir gjentatt.

Selv om taktene varierer noe for den andre utførelsesformen på fig. 2 skal det bemerkes at anbringelsen av mottagere og sendere ved utførelsesformen på fig. 2 tillater en syklusføring av denne anordningen på en signalmottakstryggert måte lignende, den beskrevne forbindelsen med utførelsesfor-men på fig. 1.

Som nevnt ovenfor forenkler foreliggende innretning og fremgangsmåte loggingen av åpne borehull i ikke-fortettede formasjoner den hurtige samlingen av skjærebølge-og trykk-bølgedata av høy kvalitet angående disse formasjonene.

Claims (10)

1. Brønnloggeinnretning for kontinuerlig logging av skjære- og trykkbølgeoverføringskarakteristikker av materialer tilliggende et borehull innbefattende a) flere selektivt aktiverbare sendere, idet senderne innbefatter en første akustisk flerretningssender (102; 202) og en andre akustisk punktkildesender (104; 204), b) flere mottagere, i det minste en for hver senders omformer, anordnet med avstand i forhold til hverandre fra senderne, idet mottagerne innbefatter i det minste en første trykkbølgemottager (110, 210) som har en relativt større følsomhet overfor akustiske bølger frembrakt av den første senderen (102; 202) og i det minste en andre skjærebølgemottager (106; 206) som har relativt større følsomhet for akustiske bølger frembrakt av den andre senderen (104; 204), karakterisert vedc) sekvenseringsinnretning for selektiv aktivering av den første senderen (102; 202) som følge av detekteringen av en skjærebølge av den andre mottager (106; 206) og for selektiv aktivering av den andre senderen (104; 204)som følge av detekteringen av en kompresjonsbølge av den første mottager (110; 210).

2. Innretning ifølge krav 1,karakterisert ved at senderne og mottagerne er montert til en enkel loggeledning.

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at avstanden mellom første sender (102; 202) og første mottager (110; 210) er større enn avstanden mellom andre sender (104; 204) og andre mottager (106; 206).

4. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at sekvenseringsinnretningen sekvensmessig aktiviserer den andre sender (104; 204) og den første mottager (110; 210) som følge av respektiv detektering av et terskelsignal ved første mottager (110; 210) og andre mottager (106; 206).

5. Innretning ifølge krav 1,karakterisert ved at den innbefatter en styreinnretning for selektiv samling av data for hver av mottagerne.

6. Innretning ifølge krav 5,karakterisert ved at styreinnretningen tillater samling av informasjon fra den første mottageren (110; 210) mellom tiden for aktivering av den første sender (102; 202) til i det minste tiden for mottagelse av en kompresjonsbølge av den første mottager (110; 210).

7. Innretning ifølge krav 5,karakterisert ved at portføringsinnretningen tillater samling av informasjon fra den andre mottageren (106; 206) begynnende ved et tidspunkt etter aktiveringen av den andre senderen (104; 204) til i det minste tidspunktet for mottagelse av en skjærebølge ved den andre mottageren (106; 206).

8. Innretning ifølge krav 1,karakterisert ved at den andre mottageren eller hver av de andre mottagerne (106; 108) er anordnet mellom den første sender (102) og den første mottager (110) eller nærmest opp mot den første mottager (110, 112, 114) til den første sender (102).

9. Innretning ifølge krav 1,karakterisert ved at den første sender (102; 202) og den eller hver av første mottagere (110, 112, 114; 210, 212, 214) er anordnet i det vesentlige tilliggende den andre sender (104; 204) og den eller hver andre mottager (106, 108, 206, 208), idet i det minste den ene andre mottageren (106; 206) er anordnet tettere opptil første senderen (102; 202) enn den eller noen av de første mottagerne (110, 112, 114; 210, 212, 214)er anordnet i forhold til den første senderen (102; 202).

10. Innretning ifølge krav 8,karakterisert ved at den andre sender (204) og den eller hver andre mottager (206, 208) er anordnet i det vesentlige tilliggende til og over den første sender (202).