NO334711B1 - Akustisk isolator for akustisk loggeverktøy - Google Patents

Abstract

Et flertall av tunge masseuregelmessigheter (54, 56, 58) er festet til en innvendig vegg (60) til et vektrør (52) for å dempe bølger som forflytter seg gjennom røret. Flertallet av tunge masseuregelmessigheter (54, 56, 58) er plasserte med en avstand og størrelse for maksimal demping av akustiske pulser i et forhåndsbestemt frekvensverdiområde. Masseuregelmessighetene kan være ringer sikret til den innvendige veggen (60) til vektrøret med rørstykker (62), som strekker seg utover fra den ytre omkretsen til ringen. Masseuregelmessighetene kan være laget av stål eller wolfram og er mellom seks og ti i antallet. Avstandene mellom masseuregelmessighetene kan ligge mellom tolv og fjorten centimeter. Et senterrør (64) kan være inkludert for å isolere uregelmessighetene fra fluid-strømning forbundet med boreoperasjonen. Røret kan være av et mykt materiale slik som gummi for å redusere overføringen av akustisk støy langs borestrengen.

Description

Beskrivelse

Kryssreferanse til relaterte søknader

Foreliggende søknad krever prioritet fra og er basert på United States patentsøknad med serienummer 60/137,388 med innleveringsdag 3. juni 1999.

Bakgrunn for o<pp>finnelsen

Fagområde

Foreliggende oppfinnelse omhandler utstyr for logging under boring og mer spesifikt akustisk utstyr for logging under boring og demping av akustiske pulser som forflyttes parallellt til boreretningen.

Kjent teknikk

For å fremskaffe hydrokarboner slik som olje og gass, er brønner og borebrønner boret ned i bakken gjennom hydrokarbonholdige underjordiske formasjoner. For øyeblikket involverer dagens boreaktiviter ikke bare vertikale brønner men også horisontale brønner. Ved boring må informasjon om brønnen selv fremskaffes. Mens seismiske data har fremskaffet informasjon med hensyn til hvor det skal bores og den omtrentlige dybden til den lønnsomme sonen, er ikke seismiske data ved store dybder være helt pålitelige. For å understøtte dataene er informasjonen fremskaffet ved boring med logging under boring eller utstyr for måling under boring med (MWD) anordninger. Logging eller måling under boring har vært en prosedyre som har vært anvendt i mange år. Denne prosedyren er foretrukket av borere fordi den kan gjennomføres uten å stoppe boringen for å logge et hull. Dette kommer primært av det faktum at logging av et uferdig hull, før innsetting av foringsrør om nødvendig, kan føre til utvaskinger som skader det borearbeidet som allerede er utført. Dette kan oppholde ferdigstillelsen av brønnen og forsinke produksjonen. Videre kan denne informasjonen være nyttig mens brønnen blir boret for å gjøre retningsendringer med en gang.

Fremskritt i forbindelse med MWD målinger og styringssystemer for borekroner plassert i borestrengen muliggjør boring av horisontale borehull med forbedret effektivitet og større suksess. I det siste har horisontale borehull som strekker seg flere tusen meter ("utvidet rekkevidde" borehull) blitt boret for å komme til hydrokarbonreserver ved reservoarflankene og for utvikling av satelittfelt fra eksisterende offshore plattformer. Enda mer nylig har forsøk vært foretatt for å bore borehull som tilsvarer tredimensjonale borehullsprofiler. Slike borehullsprofiler inkluderer ofte flere anlegg og svinger langs borestien. Slike tredimensjonale borehullsprofiler tillater gjenvinning fra flere formasjoner og tillater optimal plassering av borebrønnene i geologiske vanskelige formasjoner.

Gjenvinning av hydrokarboner kan bli maksimalisert ved å bore den horisontale og komplekse brønnen langs optimale lokasjoner innenfor den

hydrokarbonproduserende formasjonen. Kritisk for suksessen til disse brønnene er oppretting av pålitelig stratigrafiske posisjonskontroll under etablering av brønnen i målformasjonen og riktig navigering av borekronen gjennom formasjonen under boring. For å kunne oppnå slike brønnprofiler er det viktig å avgjøre den sanne posisjonen til borekronen relativt til formasjonsålens grenser og grenser mellom forskjellige fluider, slik som olje, gass og vann. Mangel på slik informasjon kan føre til alvorlige "blindgater" langs borehullet som et resultat fra hull eller borestikorreksjoner for å finne eller på nytt gå inn i lønnsomme soner. Slike brønnprofiler begrenser vanligvis den horisontale rekkevidden og den endelige brønnlengden frilagt til reservoaret. Optimalisering av borehullets lokalisering innenfor formasjonen kan også ha betydelig innvirkning på maksimalisering av produksjonavkastningen og minimaliseringen av gass og vannlommeproblemer. Styreeffektivitet og geologisk plassering er i industrien vurdert å være blant de største begrensningene ved dagens boresystemer for boring av horisontale og komplekse brønner. Tilgjengelighet av relativt nøyaktige tredimensjonale seismiske undergrunnskart, lokalisering av boreutstyret relativt til formasjonssålens grenser rundtliggende boreutstyret kan i meget stor grad forbedre mulighetene for boring av borehull med maksimal gjenvinning. Kjent teknikk med nedihullsanordninger mangler og gjør ikke tilgjengelig slik informasjon under boring av borehull.

Moderne retningsrettede boresystemer benytter som oftest en borestreng som har en borekrone ved bunnen som er rotert ved hjelp av en boremotor (vanligvis omtalt som slammotor). Et flertall av sensorer og MWD anordninger er plassert helt i nærheten av borekronen for å måle visse bore-, borehulls- og formasjonsevalueringsparametre. Slike parametre blir så benyttet til å navigere borekronen langs en ønsket boresti. Typisk er sensorer for måling av nedihulls-temperaturer og trykk, asimut og skråningsmålende anordninger og en anordning for måling av motstanden i formasjonen benyttet for å bestemme borestreng- og borehullsrelaterte parametre. Motstandsmålingene blir benyttet til å bestemme tilstedeværelsen av hydrokarboner mot vann omkring og/eller i en kort avstand i forkant av borekronen. Motstandsmålinger er mest vanlig benyttet for å navigere borekronen. Likevel, dybden av undersøkelsen til motstandsanordningene strekker seg vanligvis bare to til tre meter og motstandsmålingen gir ikke informasjon om forekomstens grenser relativt til den nedihulls montasjegruppen. Videre, lokasjonen av motstandsanordningen er bestemt med noen dybdemålende anordninger brakt i stilling på overflaten som ofte har en større feilmargin enn undersøkelsesdybden til motstandsanordningene. Det følger derav at det er ønskelig med et nedihullsystem som nøyaktig kan kartlegge forekomstens grenser omkring den nedihulls montasjegruppen slik at borestrengen kan blir styrt for å oppnå optimal borehullskurve.

Den relative posisjoneringsusikkerheten til borebrønnen som er under boring og den kritiske nær-borebrønnen forekomstgrensen eller kontakt er definert ved nøyaktigheten til MWD retningsrettede undersøkelsesverktøy og usikkerheten om formasjonsfordypningen. MWD verktøy kan bringes i stilling for å måle jordens gravitasjon og magnetiske felt for å bestemme skråningen og asimuten. Kunnskap om retningen og posisjonen til borebrønnen er helt avhengig av disse to vinklene. Under normale forhold er skråningsmålingens nøyaktighet omtrent pluss eller minus to tiendeler av en grad. Slike feil forplanter seg til usikkerheten om lokasjonen til målområdet og utgjør tre meter per tusen meter langs borehullet. I tillegg er variasjonen til skråningsvinkelen på flere grader vanlig. Den optimale plasseringen av borehullet er derfor svært vanskelig å oppnå basert på dagens tilgjengelige MWD målinger, spesielt i grunne lønnsomme soner, skrånende formasjoner og komplekse brønnutforminger.

Inntil nylig, har logging under boring vært begrenset til motstandslogger, gammalogger, neutronlogger og andre ikke-akustiske logger siden akustisk støy forårsaket av boring og akustiske pulser som forflytter seg oppstrøms fra senderen har skapt problemer med nøyaktig oppdagelse og delineæring. Disse problemene kan ikke isoleres enkelt ved ankomsttid siden de akustiske pulsene er genererte og oppdaget løpende. Nylig har bruken av akustiske sensorer som har en relativt kort avstand mellom mottager og utsender for å bestemme grensene til formasjonen rundt den nedihulls montasjegruppen vært benyttet. Et essensielt element vedrørende bestemmelsen av grensene til formasjonen er bestemmelsen av forflytningstiden av refleksjonen av akustiske signaler fra grensene til formasjonen og andre grensesnittabnormaliter. Kjent teknikks forslag har vært å utnytte estimater av av den akustiske hastigheten fremskaffet fra tidligere seismiske data eller sidebrønner. Slike akustiske hastigheter er ikke særlig nøyaktige på grunn av at de er estimater av faktiske akustiske hastigheter til formasjonen. Også, siden dybdemålingene kan avvike med flere meter i forhold til den virkelige dybden til nedihullsontasjegruppen, er det svært ønskelig å utnytte de bestemte akustiske hastighetene til formasjonen nedihulls under boreoperasjonen for å lokalisere forekomstens grenser relativt til borekronens lokasjon i borebrønnen.

I tillegg, for akustiske eller soniske sensormålinger, er den mest betydnings-fulle støykilden akustiske signaler som forflytter seg fra kilden til mottagerne via et metallisk verktøyhus og de som forflyttes gjennom boreslamsøylen som omslutter den nedihulls montasjegruppen (rørbølger og legemsbølger). I noen anvendelser er utførelsene av de aktustiske sensorene benyttet til å oppnå en viss mengde av direktivitet til signalene. Et oppsett for kopling av sender med signalsprosesserings-metode kan benyttes for å minske effekten til rørbølgene og legemsbølgene. Slike metoder kan dog alene ikke oppnå tilstrekkelig reduksjon av effekten av rørbølger og legemsbølger, spesielt på grunn av sterk direkte kopling av de akustiske signalene mellom senderene og deres tilknyttede mottagere.

Noen United States patenter som er representative når det gjelder kjent teknikk som omhandler bestemmelse av underjordiske formasjoner er som følger.

United States patent nummer 4,020,452 med tittel "Anordning for anvendelse i undersøkelse av jordformasjoner" utstedt til Jean-Claude Trollier m.f., omhandler en anordning for mekanisk filtrering av akustiske impulser i en brønnloggingsanordning. Denne anordningen inkluderer en hovedsaklig stiv komponent som har avbrudd i den langsgående fortsettelsen av komponenten. Disse avbruddene oppnår en skillepaddeaktig (langsom) sti for gjennomstrømningen av akustisk energi langs komponenten. Et flertall masser er fordelt med regelmessig avstand langs innsiden av komponenten og er mekanisk integrert med motstående sider til komponenten ved plasseringer valgt for å sette komponenten og massene i stand til å samvirke som et mekanisk filter. Ved å gjøre dette vil strukturen laget av komponenten og massene ha en god akustisk forsinkelse og dempingskarakteristika som vel som gode mekaniske karakteristika.

United States patent nummer 5,043,952 med tittel "Ensondet sender for et sonisk brønnverktøy" utstedt til David C. Hoyle m.f., omhandler en ensondet sender for et sonisk verktøy som inkluderer et aksielt rør, en pieziokeramisk sylinder som omslutter det aksielle røret, et rørlokk arrangert på hver ende av og er i fast kontakt med sylinderen, og en anordning for å holde rørlokkene fast mot det aksielle røret. Rørlokkene er i fast kontakt med det aksielle røret uten samtidig å være i kontakt med en øvre skillevegg. Denne anordningen kan inkludere en sprengskive arrangert mellom sprengskiven og i det minste en skillevegg, eller den kan inkludere en fjær arrangert mellom et punktfeste og hver skillevegg. En punktfestet rør kan være arrangert rundt det aksielle røret, en ring som er arrangert på hver ende til det punktfestede røret, hver ring arrangert på utsiden for sylinderen for å forspenne skilleveggene i strekk mot ringen og på denne måten holde hver skillevegg i fast kontakt mot det aksielle røret.

United States patent nummer 5,510,582 med tittel "Akustisk demper, brønnloggingsanordning og fremgangsmåte for logging av brønner" utstedt til James R. Birchak m.f., omhandler et sonisk boreverktøy for utførelse av akustiske undersøkelser av underjordiske geologiske formasjonen gjennomtrengt av et borehull. Boreverktøyet inkluderer generelt sett et legeme som strekker seg langsgående for plassering i borehullet. Verktøyet inkluderer en sender understøttet av legemet for overføring av akustisk energi og en mottager understøttet av legemet for mottagelse av akustisk energi. Verktøyet inkluderer et akustisk dempingsparti som er posisjonert på legemet mellom senderen og mottageren. Dette partiet inkluderer en eller flere hulrom definert av legemet, treghetsmassekomponenter posisjonert på innsiden av hulrommene på en egnet måte for å danne en spalte mellom veggen til hulrommet og treghetsmassekomponenten, og en akustisk dempningsvæske i denne spalten. Fremgangsmåten for demping soniske bølger inkluderer generelt en utsendelse av en bølge fra senderen til verktøyet, gjennomstrømning av det soniske bølgepartiet, og mottagelse av dempede bølger i mottageren.

United States patent nummer 5,036,945 med tittel "Sonisk brønnverktøy, sender- og mottagerrekke inkludert en dempende og forsinkende anordning" utstedt til David C. Hoyle m.f., omhandler et sonisk brønnverktøy som inkluderer en senderrekke som har i det minste en ensondet sender og i det minste en tosondet sender- og mottagerrekke for mottagelse av soniske trykkbølgesignaler fra en omliggende borehullsformasjon. En første dempende og forsinkende anordning er posisjonert ovenfor mottagerrekken og en andre dempende og forsinkende anordning er posisjonert under mottagerrekken i det soniske brønnverktøyet. Den første dempende og forsinkende anordningen inkluderer en dempende komponent bestående av et flertall av sammenvevede gummi og metallaktige skiver for å dempe kompresjons- og svingebølger som forplanter seg langs en midtstøttestang i metall til mottagerrekken og en indre kasse bestående av et belgparti som har en riflet utforming og en tynn tverrgående dimensjon for å forsinke forplantingen av kompresjons- og svingebølger langs den indre kassen til mottagerrekken. Den andre dempende og forsinkende anordningen inkluderer et flertall av massebærende ringer som omslutter den ytre kassen til det soniske brønnverktøyet for demping av svingebølger som forplanter seg fra en sonisk sender og videre en indre kasse som inkluderer et ytterligere belgparti som har en riflet utforming og en tynn tverrgående dimensjon for å forsinke forplantningen av kompresjons- og svingebølger oppover verktøyet langs den indre kassen til mottagerrekken. Det soniske verktøyet inkluderer også en forskjellig volumkompensator for endring av mengden av olje innesluttet i det soniske brønnverktøyet tilsvarende endringene i volumet til oljen og endringer i temperaturen og trykket til borehullet. Mottagerrekken inkluderer et flertall av hydrofonsett, hvor hvert hydrofonsett inkluderer i det minste et par og fortrinnsvis to par av hydrofoner arrangert i et tverrsnitt i verktøyet, en hydrofon til et par som er arrangert motsatt den andre hydrofonen i paret i tverrsnittet.

United States patentsøknad med serienummer 09/201,988, nå United States patent 6,082,484 til Molz og Dubinsky som har den samme innehaveren som foreliggende oppfinnelse beskriver anvendelse av en borekronekrage som har et flertall av utformede hulrom fyllt med olje. Gjennomstrømningen av aksutiske bølger setter opp en resonanse til fluidet i det utformede hulrommet. Frekvensen til resonansen avhenger av utformingen og størrelsen til hulrommet og egenskapene til fluidet i hulrommet. I en utførelsesform til oppfinnelsen er hulrommene kuleformede. I en annen utførelsesform til oppfinnelsen benyttes sylindriske hulrom med et stempel holdt tilbake av en fjær i hulrommet. Ved å endre fjærkonstanten oppnås ytterligere kontroll over frekvensene som blir dempet. '998 søknaden beskriver også anvendelsen av et segmenterte isolatorer ved hvilke vektrørseksjonen er fylt med lag av et komposittmateriale i hvilke lagene har forskjellig tetthet. Tykkelsen til de individuelle lagene er valgt for å dempe visse frekvenser.

Summering av oppfinnelsen

Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved et system for demping av akustiske bølger som forflytter seg gjennom en langsgående komponent som er i stand til å overføre nevnte akustiske bølger derigjennom, kjennetegnet ved at det omfatter: et flertall av avstandsseparerte masser fast festet til en tilstøtende indre vegg av nevnte langsgående komponent, hver av nevnte flertall av masser har en forhåndsbestemt avstand og en forhåndsbestemt størrelse for demping av akustiske pulser i et forhåndsbestemt frekvensområde fra 10 kHz til 20 kHz.

Foretrukne utførelsesformer av systemet er videre utdypet i kravene 2 t.o.m. 8.

Det er omtalt et system for demping av akustiske bølger som forflytter seg gjennom et vektrør ved en boreoperasjon med logging. Systemet inkluderer et flertall av tunge masser som er festet til den indre veggen til vektrøret. De tunge massene utgjør masseuregelmessigheter som demper bølgene som forflytter seg gjennom vektrøret. Masseuregelmessighetene kan være ringer og vedhengene er utførte med kragestykker. Disse kragestykkene strekker seg fra den ytre omkretsen til ringene og kan være den opprinnelige omkretsen til ringen som ble dreid ned ved å kappe ut partier av ringen. Dette tillater en betydelig mindre del enn hele den ytre omkretsen til den hengende ringen å være i kontakt med den indre overflaten til vektrøret. Det følger av dette at ringene vil dempe mer effektivt vibrasjonenkraften fra de akustiske pulsene som kommer i kontakt med den hengende ringen. Flertallet av tunge hengende ringer er fordelt og har en størrelse for maksimal demping av akustiske pulser i et på forhånd bestemt verdiområde, fortrinnvis i området 10 kHz til 20 kHz. Systemet kan inkludere stålringer som utgjør flertallet av tunge hengende ringer. Flertallet av tunge hengende ringer kan være tyngre og i et mer tett materiale slik som wolfram. Flertallet kan ha så mange som ti ringer eller så få som seks, hvor åtte er en annen mulighet. Fordelingen av ringer kan variere mellom tolv og fjorten centimeter avhengig av hvilket materiale som er benyttet. Et rør kan være plassert i den indre omkretsen til ringene for å isolere demperingene fra strømingen av boreslam. Isoleringsrøret kan være av hvilket som helst materiale, likevel et materiale som ikke er stivt som har mindre sannsynlighet til å utføre vibrasjonskrefter er foretrukket.

Masseuregelmessighetene kan være festet til vektrøret over et betydelig parti til deres aksielle lengder. Slike arrangement er benyttet for å fungere som et lavt strømningsfilter. Når dette mekaniske arrangementet er benyttet med et elektrisk båndpassfilter i verktøyet er høye frekvenser effektivt dempet. Det dempende partiet kan bestå av et sylindrisk legeme med partier med forskjellige innvendige og/eller utvendige diametre for å fremskaffe et ringrør: partiene til de forskjellige diameterane har hver karakteristiske passbånd og et awisningsbånd for demping av signaler.

Kort beskrivelse av te<g>nin<g>ene.

Figur 1 er en illustrasjon av et boresystem som måler når boreanordninger er monterte i boreanordningen. Figur 2 illustrerer en strålevei av akustiske signaler mellom senderen og mottageren. Figur 3 er en illustrasjon av et dempesystem for anvendelse til et vektrør. Figur 4 er en grafisk representasjon som illustrerer effektene av et øket antall av dempekomponenter til et system som er illustrert i figur 1. Figur 5 er en grafisk representasjon som illustrerer effektene å øke vekten til av dempekomponenter til et system som er illustrert i figur 1. Figur 6 er en grafisk representasjon som illustrerer den dempende effekten til systemet i figur 1. Figur 7a og 7b viser en sammenligning av oppfinnelsen i figur 2 hvor masseuregelmessighetene er festet til vektrøret over en betydelig lengde. Figur 8a - 8c viser en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen hvorved dempingen er oppnådd ved hjelp av utsparringer som fremskaffer masseuregelmessigheter i dempingslegemet. Figur 9 viser en sammenligning av frekvensspekteret til dempere som har forskjellige typer utsparringer som har en konstant lengde. Figur 10 viser alternative utførelsesformer av oppfinnelsen med hvilken diameterane til dempepartiene er varierte.

Beskrivelse av den foretrukne utførelsesformen

Foreliggende oppfinnelse oppnår et system og en fremgangsmåte for å dempe akustiske bølger i et nedihullsverktøy som er benyttet til å fremskaffe informasjon om underjordiske formasjoner, hvorved noen av disse er antatt å inneholde oljeavleiringer. Figur 1 er en skjematisk illustrasjon til anvendelse av en måling-under-boring (MWD) anordning under boring av en brønn. På overflaten til jorden 5 er en borerigg anvendt til å bore en borehull 23 gjennom undersjøiske formasjoner 25a, 25b, 25c osv. For de som er mer kjente med faget vil vite at et boreskip eller plattform kunne bli benyttet til å bore et borehull ned i undersjøiske formasjoner tildekket avvann. En borestreng 13 som kan være fremstilt av borerør eller kveilerør er benyttet til å rotere borekronen 17 på bunnen, hvor den roterende bevegelsen til borekronen og det aksielle trykket skjærer ut borehullet. Når kveilerør benyttes til borestrengen, benyttes en boremotor (ikke vist) for å sørge for den nødvendige roterende bevegelsen til borekronen.

En antall forskjellige signalgivere er brukte nedihulls i en sensorsammenstilling 11. Denne sensorsammenstillingen foretar målinger av egenskaper til formasjonene gjennom hvilken borehullet er boret. Dette kan inkludere elektromagnetisme, gammastråling, tetthet, kjernemagnetisk resonans og akustiske sensorer. For kun illustrative formål er det indikert en akustisk senderrekke 31 og en akustisk mottagerrekke 33. For de som er kjente med faget vil kunne anerkjenne at andre sammensetninger av de akustiske senderne og mottagerne kan benyttes.

Nå tilbake til figur 2, hvor senderen 31 og mottageren 33 er viste på innsiden av borehullet 23. Ringrommet mellom borestrengen 13 og borehullet 23 er fyllt med et borefluid. Fluidet føres ned i borehullet på innsiden av borestrengen til borekronen og returnerer opp i hullet gjennom ringrommet. Stimulering av senderen genererer et akustisk signal. En del av signalet vist ved strålestien 43 er referert til som den direkte ankomsten og forflytter seg gjennom verktøyet til mottageren. Senderen genererer også et akustisk signal i borehullsfluidet som kommer inn til formasjonen. I en del av denne, illustrert ved strålestien 41 forflytter seg som en legemsbølge gjennom formasjonen og bærer med seg informasjon om den formasjonen den passerer igjennom. Mottageren fanger også opp andre signaler, slik som rørbølger som involverer en koplet bølge mellom fluidet og formasjonen, Stoneleybølger som er overflatebølger til fluidet, og signaler som blir reflektert fra akustiske reflektorer innen formasjonen.

I et MWD verktøy, som i kabelverktøy, ankommer legemsbølgen 42 gjennom formasjonen vanligvis før rørbølgen og Stoneleybølgen. Likevel, i et MWD verktøy, den direkte ankomsten 43 gjennom verktøyet ankommer før den ønskede signaldelen 41 som bærer informasjon om de akustiske egenskapene til formasjonen. I tillegg generer borekronen selv fortløpende akustiske signaler som forflytter seg gjennom borestrengen 13. Følgelig blir det svært vanskelig å bestemme en forflytningstid for formasjonens legemsbølge.

For å kunne dempe den direkte ankomsten 43, er et pulsdemperverktøy 40 plassert i et verktøy 11 mellom senderen 31 og en mottager 33. Bare en sender og en mottager er illustrert for demonstrasjonsformål. I praksis kan det være flere mottagere og signalsendere og den foreliggende oppfinnelse opererer med hvilket som helst arrangement, det eneste kravet er at demperen 40 må være plassert mellom senderen og mottageren.

I en av utførelsesformene til oppfinnelsen, er den akustiske isolatoren basert på en rekke av masseringer festet til den indre veggen til vektrøret. En slike rekke frembringer et interferensefilter som oppnår en stoppebåndbredde ved en på forhånd bestemt frekvens for langsgående lydbølger som forplanter seg langs veggene langs en krage. Anordningen utøver tilstrekkelig demping innenfor det på forhånd bestemte frekvensområdet så vel som god mekanisk styrke. Effektiviteten til en isolator av denne typen øker proposjonalt med antall ringer N så vel som forholdet M/u., hvor M er massen til en enkelt ring, og u. er massen per legdeenhet til kragen. Det følger derav at effektiviteten til isolatoren er svært følsom for små endringer i de ytre dimensjonene til røret så vel som endringer i forhold til krav til veggtykkelsen.

Dempingen som oppnås med isolatorpartiet er kontruert til å være minus førti desibel innenfor frekvensverdiområdet tolv til atten kilohertz. Konstruksjonen av isolatoren tilfredstiller de mekaniske kravene som er spesifisert med hensyn på begrensningene til den indre diameteren, den ytre diameteren, minimalt areal og annet.

Figur 3 er en delvis illustrasjon av et dempesystem 50 for et lydverktøy (ikke vist) for et vektrør 52 som benytter en rekke av hengende masseuregelmessigheter 54, 56, 58,... (som kan inkludere inntil ti elementer) montert på den indre veggen 60 til drill coilar 52. Masseuregelmessighetene 54, 56, 58,... er sikret til den indre veggen 60 ved kragestykker 62 som strekker seg ut fra den ytre omkretsen 64, 66, 68,... til henholdsvis masseuregelmessighetene 54, 56, 58. Kragestykkene 62 er mindre både i dybde og bredde enn andre ytre omkretser 64, 66, 68,... av

masseuregelmessighetene 54, 56, 58,... slik at masseuregelmessighetene 54, 56, 58,... er holdt fast mot den indre veggen 60, men ikke så fast at akustiske pulser som forflytter seg gjennom vektrøret 52 er forflyttet uten demping. På denne måten er masseuregelmessighetene 54, 56, 58,... holdt fast men ikke tettende.

I en alternativ utførelsesform, oppnår et indre rør 64 å beskytte rekken av masseuregelmessigheter 54, 56, 58, ...fra slamstrømmen. Det indre røret kan være fremstilt av hvilket som helst materiale for å isolere masseuregelmessigheter 54, 56, 58, ...fra slamstrømingen, likevel, et materiale som ikke er stivt og har en viss grad av bøyelighet er foretrukket. Et materiale som har mindre sannsynlighet for å forflytte akustiske pulser mot mottagerene er ønskelig.

Bruken av dempefiltrene kan forstås ved hjelp av den påfølgende gjennom-gangen. Det dempende partiet har N masseuregelmessigheter eller elementer, hvor hvert element har en utforming som ringer eller "smultringer" festet til den indre overflaten til et rør ved punktene x = x,, (hvor j = i,... ri). Origo til koordinatene sammenfaller med den første uregelmessigheten, dvs.Xq = 0. Massen til ringen j er mf. Avstanden mellom to nærliggende elementer er: Ved x > xner en tilfeldig langsgående lydbølge av en enhetsamplitude som forflytter seg fra origo kan beskrives med

hvor

k = to/c er bølgelengden

w = 27if er vinkelfrekvensen

c = lydhastigheten

På grunn av tilstedeværelsen av en rekke eksisterer det (ved x>xn) en reflektert bølge pr =Kn(£»y*(I"I"Hfl*, hvor Vn( o>) er en refleksjonskoeffisient for en rekke av n uregelmessigheter. I foreliggende oppfinnelse, er dimensjonene til uregelmessighetene små sammenlignet med bølgelengden ved en gitt frekvens co = 27t/k. Tettheten p så vel som den lineære massen til et rør u. er også av stor betydning for dempingen. I foreliggende oppfinnelse er massen rn, mye større enn u. h,, hvor h, er lengden til festepartiet for massen mf. En slik rekke danner et grensesnittsfilter som oppnår et stoppebånd ved et på forhånd bestemt frekvensverdiområde for langsgående lydbølger som forplanter seg i veggene til et rør.

I løsningen av en lydbølge, er lengden av en kontaktsone, Al, mellom en ring og en indre vegg til et rør liten sammenlignet med den bølgelenden som er av interesse X. Under disse forholdene kan forplantningen av den langsgående bølgen bli beskrevet med følgende ligning:

Hvor:

Y er Youngs modul til rørmaterialet

S er tverrsnittarealet til rørveggen

u er deplasement

u, er den lineære massen til røret, og

x er den langsgående koordinaten.

Ved betraktning av en sinuskurvet bølge, kan displasementet u være beskrevet med en funksjon på formen u( x) exp(- icot), hvor o er vinkelhastigheten, vil diffrensialligningen være av formen:

For en rekke av N masseuregelmessigheter vil løsningen ha følgende form:

Hvor

A er den initielle bølgeamplituden

G( x- Xj) = exp ( ix/ x- x/)/( 2 ysk) er Greens ligning, og

bj= Mjco er størrelsen til en uregelmessighet.

Det følger av dette at transmisjonskoeffisienten ved en posisjon x er større enn xn, kan bli funnet som T = u(x) / A, som kan uttrykkes i desibel ved å bruke den vanlige omregningsfaktoren.

Transmisjonskoeffisienten til rekken kan også bli utledet med andre metoder. En slik metode er en tilnærming med impedanse, den relative tilførte impedansen er gitt ved ligningen:

Hvor

p = trykk

c = lydhastigheten i mediumet

v = vibrasjonshastigheten,og

p = tettheten

For en rekke med N elementer, er impedansen beregnet ved hjelp av den følgende gjentatte prosedyren:

Figurene 4 og 5 illustrerer plotting av transmisjon vs frekvens. Påvirkningen av antall elementer er illustrert i Figur 4. Transmisjonskurvene er viste for seks elementer, åtte elementer og ti elementer. Økningen i antallet av elementer endrer transmisjonskurven bare litt ved yttergrensene til det på forhånd bestemte frekvensverdiområdet. Likevel, dempingsverdiene til transmisjonskurven i midtpartiet til frekvensbåndet er i høy grad påvirket. Perioden til en rekke I er det viktig å plassere transmisjonskurvene ved den rette frekvensen. I den foretrukne utførelsesformen til oppfinnelsen er en optimal verdi for avstanden mellom elementene 5.12 tommer eller omtrent tretten centimeter for den indre og den ytre diameteren som er benyttet. Likevel, andre avstander slik som fjorten eller tolv centimeter kan også bli benyttet og kan oppnå tilfredstillende resultater. Påvirkningen til massen til et enkelt element er illustrert i Figur 5. Figur 4 illustrerer dempingskurven for rekker med ti elementer. Hver kurve er for elementer med forskjellig vekt. En første kurve er for ti elementer, hver veier åtte kilogram, den andre veier elleve kilogram og en tredje veier fjorten kilogram. En økning i massen M resulterer i en forandring av den lave frekvensgrensen. Den høye frekvensgrensen blir i det aller vesentligste uforandret. Alle transmisjonskurvene viser at transmisjontap overstiger førti desibel innenfor det på forhånd bestemte frekvensbåndet mellom elleve og atten kilohertz.

Beregningene ble utførte for en rekke av N likt fordelte avstander mellom uregelmessighetene. Transmisjonskoeffisienten ble beregnet mot frekvensen innen for frekvensverdiområdet mellom fem til tjue kilohertz.

Figur 6 er en grafisk representasjon av demping av en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. I den foretrukne utførelsesformen, er ti elementer benyttet med en avstand på tretten centimeter mellom elementene. Ringen av rustfritt stål ble benyttet som masseuregelmessigheter

54, 56, 58 .... Det kan sees at arrangementet til den foretrukne utførelsesformen oppnår demping av bølgene i verdiområdet åtte til ti kilohertz. Ved å bruke dette systemet, kan interferens av bølger som forflytter seg gjennom kragen til boreverktøyet bli sterkt redusert og akustisk logging er mulig under en boreoperasjon.

Figurene 7a og 7b viser en sammenligning mellom utførelsesformen som er diskutert ovenfor med hensyn til Figur 2 og en annen alternativ utførelsesform av oppfinnelsen som benytter en annet arrangement for å feste masseuregelmessighetene til vektrøret. Vist i det øvre partiet av figur 7a er vektrøret 152a til hvilken en masse 154a er festet med hjelp av en krage 158a. Dette tilsvarer det arrangementet som ble diskutert ovenfor med å referere til Figur 2. Vist i det øvre partiet av Figur 7b er et alternativt arrangement hvorved en masse 154b er festet til vektrøret 152b over i det alt vesentligste hele lengden til massen. Vist i det nedre partiet til Figur 7a er en skjematisk representasjon av den effektive massen til uregelmessigheten 170a sett som en forplantet bølge, typisk som en masseuregelmessighet som oppnår omtrent 6 til 8 desibels demping av bølgen. Det nedre partiet til Figur 7b viser den effektive masseuregelmessigheten 170b sett som en forplantet bølge: dermed er en demping på 2-3 desibel er oppnådd ved hver yttergrense. Ved en analyse som diskutert ovenfor i forhold til ligningene 1 -4, fungerer arrangementet som er vist i Figur 7b som lavpasseringsfilter. Med passende valg av avstandene og størrelsen til vektene, kan den effektive stoppfrekvensen frembringes til å ligge rundt 10 kHz. Benyttet i kombinasjon med et elektrisk båndpassfilter (ikke vist) til verktøyet, legemsbølger gjennom vektrøret kan bli effektivt dempet. Fig 8a-8c viser en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen hvor isolatoren innebefatter en maskinell sylindrisk komponent. I Figur 8a har den sylindriske komponenten en ytre diameter OD og en indre diameter ID. Den indre diameteren tillater passasje av boreslam. Den indre veggen til den sylindriske komponenten har utsparringer med lengde L deri. En legemsbølge støter på forskjellige tverrsnittsareal og massetettheter, lignende til utførelsesformene diskutert ovenfor som resulterer i demping av legemsbølgene. Figur 8b viser et arrangement hvor utsparringene er på utsiden av isolatoren. Hele Figur 8c viser et arrangement hvor det er utsparringer på både utsiden og innsiden til isolatoren. Figur 9 viser et finiteelement ("FE") simulering av variasjonene til utførelsesformene som er viste i Figur 8a-8c. X-aksen angir frekvensen og Y-aksen er den normaliserte amplituden til bølgene som har passert demperen. Merk at amplitudeskalaen er lineær, i motsetning til å være angitt i desibel. Kurven 301 viser spektrumet for et sylindrisk rør. Kurven 303 viser spektrumet for kutt på innsiden av røret, 305 er for utsparringene på innsiden og utsiden til røret mens 307 er for utsparringene på utsiden av røret. Lignende FE simuleringer han blitt utførte for varierende lengder L av utsparringene. Basert på disse simuleringene, for en OD på 7.09 tommer, er det i en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, en verdi av L på 3.15 tommer (8.5cm) med utsparringer på både innsiden og utsiden til den isolatoren som er benyttet.

Resultatene i Figur 9 er for et flertall av likt fordelte avstander og den samme dybden av utsparringene. Andre utførelsesformer av oppfinnelsen benytter en kombinasjon av partier som har forskjellige lengder og forskjellige dybder på utsparringene på indre og ytre utsparringer. Eksempler er viste i Figur 10. Hvert parti 400 kan betraktes å være en bølgeleder med et forbundet passbånd og et awisningsbånd bestemt ved den indre diameteren 403 og den ytre diameteren 401. Som det fremgår av Figur 10 har hvert parti en langsgående akse til den langsgående aksen 405 til demperlegemet. Ved å benytte en slik kombinasjon av forskjellige indre og ytre diametre kan et vidt verdiområde av frekvenser bli dempet. Denne dempingen er i tillegg til dempingen frembrakt ved refleksjoner mellom tilliggende partier 400. Ved tilstedeværelse av borefluid på innsiden og utsiden av partiene, er bølgelederen "lekkende" bølgeledere som tillater energi å forplante seg inn i fluidet. I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, spenner de indre diametrene fra 2 tommer til 6 tommer og de ytre diametrene spenner seg fra 4 tommer til 10 tommer.

Mens det har blitt illustrert og beskrevet en bestemt utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, skal det anerkjennes at utallige endringer og modifikasjoner kan forekomme for de som behersker teknikken, og at det er hensikten å legge til krav som dekker alle de endringer og modifikasjoner som faller under den sanne ånden og hensikten med foreliggende oppfinnelse.

Claims (8)

1. System for demping av akustiske bølger som forflytter seg gjennom en langsgående komponent som er i stand til å overføre nevnte akustiske bølger derigjennom,karakterisert vedat det omfatter: et flertall av avstandsseparerte masser fast festet til en tilstøtende indre vegg av nevnte langsgående komponent, hver av nevnte flertall av masser har en forhåndsbestemt avstand og en forhåndsbestemt størrelse for demping av akustiske pulser i et forhåndsbestemt frekvensområde fra 10 kHz til 20 kHz.

2. System for demping av akustiske bølger ifølge krav 1, karakterisert vedat nevnte flertall av masser omfatter et materiale valgt fra (i) stålringer, og (ii) wolframringer.

3. System for demping av akustiske bølger ifølge krav 2, karakterisert vedat nevnte flertall av masser er mellom seks og ti.

4. System ifølge krav 2, karakterisert vedat det videre omfatter en senterrørkopling nært mot en indre periferie til nevnte masser for å forhindre kontakt mellom et borehullsfluid og nevnte flertall av masser.

5. System ifølge krav 4, karakterisert vedat nevnte senterrør er konstruert av gummi.

6. System ifølge krav 2, karakterisert vedat nevnte avstander mellom massene er innenfor verdiområdet tolv til fjorten centimeter.

7. System ifølge krav 2, karakterisert vedat massene omfatter metallringer festet til den indre vegg av den langsgående komponenten ved kragestykker som strekker seg utover fra en ytre omkrets til ringene.

8. System ifølge krav 2, karakterisert vedat hver av nevnte flertall av masser er festet til den langsgående komponenten med i det minste ett kragestykke.